CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT SENSOR THỦY ÂM VÀ NGUYÊN LÝ TẠO TRƯỜNG ÂM THANH
2.2.2 Sensor sóng âm liên tục và điều biến
Đây là các sensor thiết kế cho các áp dụng dưới nước sử dụng các vật liệu biến đổi năng lượng áp điện, điện giảo, hoặc từ giảo. Tinh thể áp điện, ví dụ như thạch anh, có mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và điện trường. Tuy vậy môi trường ứng dụng chúng bị hạn chế do hằng số điện môi thấp, hệ số ghép điện cơ thấp (tỷ số năng lượng biến đổi trên tổng năng lượng vào trong sensor) dải thông hẹp, khả năng xử lý công suất thấp, hạn chế về mặt hình học. Nói chung có thể cho hiệu suất biến đổi rất cao, các sensor thạch anh có hiệu suất trên 90 % đã được thiết kế trên thế giới.
Tinh thể sắt điện (xenhet điện), dưới dạng đơn tinh thể hoặc đa tinh thể, thường là điện giảo, có các tính chất phi tuyến bậc cao trong trạng thái tự nhiên của chúng. Khi có tác dụng của điện trường phân cực, các quá trình điện, cơ ở những vật liệu đó có thể trở thành tuyến tính hóa ở một dải khá rộng trong môi trường làm việc. Những vật liệu này có ưu điểm là hằng số điện môi cao (đưa đến trở kháng thấp), hệ số ghép điện cơ cao, dải thông rất rộng, khả năng xử lý công suất cao khi được sử dụng đúng và có thể có rất nhiều dạng (tấm, ống, vòng, mặt cắt, đối cầu...). Hiệu suất có thể đạt tới 70 %, tần số làm việc 1 Hz ÷ 10 MHz.
và điện áp lý tưởng của sensor khi sử dụng các vật liệu trên như hình 2.1 (a,b), f0 là tần số cơ của sensor
Áp suất âm (ampe,db)
0 (a) -10 -20 6db/octave -6db/octave -30 Tần số (Hz) 0.5f0 f0 2f0 Áp suất âm (ampe,db) 0 (b) -10 -20 -30 Tần số Hz 0.5f0 f0 2f0
Hình 2.1: Đặc tuyến dòng và điện áp phát lý tưởng
đối với bộ Sensor áp điện (a): Đặc tuyến dòng, (b): Đặc tuyến áp
Điện trở (Ohm)
f0
Theo chiều tăng của tần số Điện kháng (Ohm)
Hình 2.2: Vị trí trở kháng lý tưởng hóa đối với sensor áp điện
Hình 2.2 cho thấy đặc tuyến trở kháng điển hình của các sensor từ giảo phụ thuộc vào sự trao đổi năng lượng giữa các dạng từ và cơ. Ở trạng thái không phân cực, những bộ chuyển đổi này là phi tuyến, tần kép. Tuy nhiên ở trạng thái phân cực (đạt được nhờ nam châm vĩnh cửu, dòng một chiều hoặc cảm ứng từ dư) chúng là dụng cụ tuyến tính (tức là áp từ). Vật liệu thường sử dụng là hợp kim Niken và ferit khác nhau.
Các bộ sensor từ giảo thiết kế đúng có thể đạt công suất âm thanh bức xạ vài kW với hiệu suất h = 50 %, tần số làm việc f ≤ 100 kHz. Hình 2.3. là đặc tuyến dòng phát lý tưởng.
