MASURAREA ADANCIMILOR

SONDA ULTRASON

Generalitati. Definitii.

In acceptiunea generala, sonda ultrason (SU) este acel aparat de navigatie maritima destinat masurarii adancimii apei (sub chila navei)[4], folosind ultrasunete.

Aparatul, devenit un intreg echipament pe navele moderne, mai este utilizat si pentru:

trasarea hartilor batimetrice;

descoperirea si localizarea unor obiecte imerse imobile aflate deasupra fundului apei;

descoperirea si urmarirea unor obiecte imerse aflate in miscare;

descoperirea si aprecierea marimii bancurilor de pesti.

Sonda ultrason face parte din categoria aparatelor primare de navigatie [7] care, prin interfatarea cu sistemul de guvernare naval functionand in regim automat, asigura transmiterea de date referitoare la adancime.

Justificarea folosirii ultrasunetelor

in procesul de masurare a adancimii

Oscilatiile mecanice produse de o sursa radianta [1],[12] intr-un mediu deformabil (fie el solid, lichid sau gazos), creaza unde elastice care se propaga prin respectivul mediu [1].

Avand ca referinta simtul auditiv uman, numai undele elastice ale caror frecvente se situeaza in banda 16Hz.20kHz pot fi percepute. Din acest punct de vedere, undele elastice care se propaga intr-un mediu deformabil pot fi:

unde infrasonore (infrasunete) - cu frecvente mai mici de 16Hz¹;

unde sonore (sunete);

unde ultrasonore (ultrasunete) - cu frecvente mai mari de 20kHz².

1. Directivitatea undelor creste cu frecventa [12] si, evident, cu scaderea lungimii de unda. Aceasta inseamna concentrarea caracteristicii de directivitate (fig.SUd.1 - caracteristica 1) in jurul directiei de propagare - lobul principal - corespunzand directiei de raspuns maxim.

In cazul ultrasunetelor, existenta lobilor secundari este practic neglijabila. Se poate spune ca, avand o frecventa mai mare, propagarea undelor ultrasonore are loc sub forma de fascicule dirijate [3], in comparatie cu undele sonore al caror unghi solid de propagare este mult mai deschis (fig.SUd.1 - caracteristica 2).

Dispersia undelor sonore este mult mai mare decat a undelor ultrasonore.

fig.SUd.1

2. Propagarea undelor ultrasonore sub un unghi solid foarte mic (forma cvasifasciculara) implica concentrarea energiei radiate pe directia de propagare, avand drept consecinta o mare putere de patrundere in mediu.

Intensitatea undei este proportionala cu patratul frecventei [5], dupa cum arata relatia:

(.)

unde: I este intensitatea undei;

r este densitatea mediului de propagare;

A este amplitudinea undei;

f este frecventa;

v este viteza de propagare a undelor prin mediul respectiv

Rezulta ca energia transportata de ultrasunete este mult mai mare decat energia sunetelor avand aceeasi amplitudine.

Intensitatea undei scade cu distanta fata de sursa radianta, dupa o lege exponentiala data de relatia:

unde: I este intensitatea undei la o distanta r fata de sursa;

I₀ este intensitatea undei la nivelul sursei;

k este coeficientul de absorbtie care depinde de caracteristicile mediului (densitate, vascozitate, temperatura etc) si de frecventa undei care se propaga.

3. Deoarece in cazul ultrasunetelor, care au lungimea de unda foarte mica (in compartie cu a sunetelor), fenomenul de difractie³ apare numai pentru obiecte foarte mici, comparabile ca dimensiuni cu lungimea de unda, distorsiunea directiei de propagare este minora.

Propagarea undelor ultrasonore in mediul acvatic

Datorita aspectului fascicular al undelor ultrasonore, cazul in discutie poate fi asimilat cu cel al propagarii undelor longitudinale in medii elastice [1].

Astfel, viteza sunetului in lichide (intr-o coloana de lichid) este:

,

unde: K este modulul de compresie;

r este densitatea mediului;

c este compresibilitatea.

Viteza de propagare a ultrasunetelor este asadar, dependenta de compresibilitatea (sau modulul de compresie) si de densitatea mediului acvatic [13].

Densitatea mediului acvatic se modifica insa proportional cu salinitatea, astfel:

,

unde: Dv_s este variatia vitezei de propagare in functie de salinitate;

v₀ este viteza de propagare in mediul acvatic, la temperatura si presiunea de referinta;

k_s este coeficientul de salinitate;

s       este salinitatea mediului acvatic.

Densitatea mediului acvatic se modifica proportional si cu adancimea; drept consecinta a modificarii presiunii, se modifica si modulul de compresie al mediului si astfel viteza de propagare este data de relatia:

,

unde: Dv_p este variatia vitezei de propagare datorata presiunii;

k_p este coeficientul de presiune;

p este presiunea hidrostatica.

Asupra vitezei de propagare a ultrasunetelor actioneaza si temperatura, conform relatiei:

,

unde: Dv_q este       variatia vitezei in functie de temperatura;

k_q este coeficientul de temperatura;

q        este temperatura mediului acvatic (apei).

Producerea si receptionarea ultrasunetelor

Atat pentru producerea cat si pentru receptionarea undelor ultrasonore, se utilizeaza traductoare functionand pe baza unuia dintre urmatoarele fenomene:

fenomenul piezoelectric;

fenomenul magnetostrictiv.

Traductoare piezoelectrice

Anumite materiale naturale sau artificiale avand structura cristalina, poseda proprietati piezoelectrice [9]. Cele mai utilizate sunt:

cuartul;

sarea Seignette - sarea Rochelle - tartrat dublu de potasiu si sodiu;

fosfatul de amoniu;

sulfatul de litiu;

titanatul de bariu;

zirconatul de plumb

Structura cristalina a cuartului prezinta avantajul unei dependente mici de temperatura si umiditate.

Sarea Rochelle are un efect piezoelectric de aproape o mie de ori mai mare decat cristalul de cuart. Totusi temperaturi mai mari de 55⁰ produc modificari ale structurii cristaline, avand ca efect pierderea proprietatilor piezoelectrice. Materialul prezinta si dezavantajul pierderii proprietatilor piezo la umiditati aflate in afara domeniului 30.88%. Costul materialului este insa redus.

Fosfatul de amoniu (ADP) se comporta bine pana la temperaturi de 100⁰C si umiditati de pana la 93%.

Se aplica forte egale si de semn contrar fetelor opuse ale unei structuri cristaline dintr-un material mai sus mentionat (orientarea structurii cristaline are importanta esentiala pentru obtinerea efectului piezoelectric maxim). In urma comprimarii, pe respectivele fete apar sarcini electrice de semne contrare, care evident vor da nastere unei tensiuni electromotoare E (fig.SUd.2a).

fig.SUd.2a

In cazul actiunii fortelor in sensul alungirii structurii cristaline, polaritatea tensiunii se schimba (fig,SUd.2b).

fig.SUd.2b

Daca fortele care actioneaza asupra cristalului sunt variabile in timp, atunci se obtine o tensiune variabila (alternativa) e.

Fenomenul piezoelectric este reversibil, adica aplicarea unei tensiuni duce la aparitia unei deformari a structurii cristaline intre cele doua fete opuse.

Sistemul electromecanic reprezentat de traductor este alcatuit dintr-un volum de material cristalin avand conexiuni pe fete opuse pentru colectare (alimentare) si poarta denumirea de rezonator (vibrator) piezoelectric.

Schema electrica echivalenta a unui rezonator piezoelectric este prezentata in fig.SUd.3.

fig.SUd.3

Avand anumite dimensiuni si o anumita structura cristalina, materialul piezoelectric prezinta o anumita frecventa de rezonanta [4], data de relatia:

,

unde: l este lungimea volumului piezoelectric;

E este modulul de elasticitate;

r este densitatea materialului;

n = 1, 2, 3. este factorul de multiplicare corespunzator fundamentalei sau armonicelor superioare.

Factorul de cuplaj depinde de caracteristicile mecanice si electrice ale cristalului [9], adica de:

modulul de elasticitate E;

modulul piezoelectric s;

constanta dielectrica e;

pulsatia tensiunii alternative w,

conform relatiei:

Frecventa de rezonanta serie a circuitului este data de relatia:

,

Frecventa de rezonanta derivatie este data de relatia:

si deoarece , rezulta f_s si f_d de valori apropiate;

.

In cazul celor mai raspandite rezonatoare piezoelectrice, inductanta L₁ are valori cuprinse intre limitele 0,1.100H, capacitatea C₁ are valori cuprinse intre 0,1pF si 100pF, iar rezistorul R_e are valori cuprinse intre limitele 100.1000W

Este evident faptul ca eficienta maxima a rezonatorului se obtine atunci cand:

unde f_osc este frecventa tensiunii aplicate rezonatorului sau receptionate de rezonator.

Traductoare magnetostrictive

Fenomenul care sta la baza functionarii acestor traductoare este magnetostrictiunea, care consta in modificarea dimensiunilor unei bare de material feromagnetic, aflata intr-un camp magnetic de intensitate constanta sau variabila, paralel cu lungimea barei.

Variatia dimensiunilor volumului de material feromagnetic depinde invers proportional de temperatura, anulandu-se la o anumita valoare, caracteristica fiecarui material.

Magnetostrictiunea depinde de natura materialului feromagnetic din care este confectionata bara rezonatorului, de obicei fiind folosite aliaje feromagnetice.

In situatia in care volumul de material feromagnetic nu prezinta magnetism permanent, frecventa oscilatiilor este dublul frecventei curentului care creaza campul magnetic alternativ si nu depinde de orientarea campului.

Deformatia volumului de material feromagnetic este :

unde: d este deformatia;

K este coeficientul de proportionalitate:

B este inductia campului magnetic;

w este pulsatia campului magnetic.

Termenul de frecventa dubla este:

.

Schema electrica echivalenta a unui rezonator magnetostrictiv este prezentata in fig.SUd.4

fig.SUd.4

Atunci cand este folosit ca receptor, materialul feromagnetic este supus, in mediul acvatic, actiunii deformatoare datorata ultrasunetelor receptionate, actiune care se traduce intr-o tensiune variabila.