Ontwerp, Ontwikkeling en Toepassing van Breëband Gekombineerde Onderwater Akoestiese Transducer

inleiding

 

Die oseaan is nie net 'n belangrike skat van visserye en minerale hulpbronne nie, maar ook 'n belangrike posisie vir lande om nasionale veiligheid en militêre stryd te handhaaf. Daarom het onderwater akoestiese tegnologie 'n belangrike middel geword vir die huidige verkenning en ontwikkeling van mariene hulpbronne, onderwater kommunikasie en navigasie van skepe, onderwater teiken opsporing en herkenning, sowel as mariene omgewing monitering en natuurramp voorspelling. Die onderwater akoestiese transducer is die draer van klankgolf uitstraling en ontvangs in die onderwater akoestiese tegnologie, en sy tegniese vlak beïnvloed direk of selfs bepaal die finale realisering effek van die onderwater akoestiese tegnologie. Aktiewe sonaropsporing en mariene hulpbronverkenning vereis omvormers met lae frekwensie, hoë krag en klein grootte. Geraassimulasie en sonarkalibrasie vereis akoestiese onderwater-omskakelaars met ultra-lae frekwensie en ultrawyeband eienskappe. Op die gebied van akoestiese onderwaterkommunikasie word van onderwater akoestiese omskakelaars vereis om die eienskappe van hoë doeltreffendheid, ultrawyeband, hoë sensitiwiteit en plat binneband te hê. Oor die algemeen ontwikkel akoestiese onderwateromskakelaars na lae frekwensie, breëband, hoë krag, klein grootte en diep water. Die diepwater-omskakelaar gebruik die interne spoelmetode om op 'n diepte van tot 11 000 m te werk, en gebruik die koppeling van die interne olieholte en strukturele dele om multi-modus vibrasie te vorm, wat die frekwensieband van die omskakelaar verbreed. 'n Multi-resonante holte word gevorm deur ronde buise van verskillende groottes wat oorloop, en die werkfrekwensie kan aangepas word deur die grootte van die ronde buise te verander om 'n wyer transducer te verkry.

 

Die bandwydte van frekwensiereeks is 200Hz ~ 2kHz. Die deursnee van die onderwater hidrofoon transducer is 250mm en die lengte is 500mm. Die dekkingsband is 7 ~ 15kHz, die klankbronvlak is 200dB, die ontvangsensitiwiteit is -176dB, en die werkende onderwaterdiepte is 11000m. Die onlangs ontwikkelde omskakelaar het 'n grootte van Die deursnee is 240 mm, die lengte is 420 mm, die dekkingsfrekwensieband is 1,8 ~ 8,0 kHz, die transmissierespons is 144 dB, en die binnebandskommeling is minder as 6dB. Ter opsomming, oorsese onderwater akoestiese omskakelaars het die hele werkfrekwensieband gedek, selfs die hele watergebied, en het 'n sekere skaal gevorm in ingenieurswese, serialisering en veralgemening, wat die gevorderde vlak van die industrie verteenwoordig. Binnelandse navorsingsinstitute en ander verwante eenhede het baie navorsing en eksperimente gedoen, en het sekere resultate behaal. Daar is egter steeds 'n sekere leemte in die sleuteltegnologie en verwerkingstegnologie van akoestiese onderwateromskakelaars in vergelyking met die buiteland, veral in Die steeds toenemende vereistes vir ultrawyeband, klein grootte en hoë werkverrigting in akoestiese onderwateropsporing vereis in-diepte navorsing. Ontwikkelingsvereistes .Met die ontwikkeling van geraasverminderingstegnologie van skepe in verskeie lande, is die geraasvlak van skepe en onderwaterteikens geleidelik verminder. Onderwaterwapens en -toerusting soos torpedo's gebruik meestal breëband-onderwater-akoestiese omskakelaars om die opsporingsreeks uit te brei en komplekse onderwater-akoestiek te verbeter. Die opsporingsvermoë en trefakkuraatheid onder die weerkaatsingagtergrond verbeter die onderwaterteikenherkenningsvermoë. Daarbenewens, in reaksie op verskeie vloote, intelligensie-agentskappe, ekonomiese entiteite en selfs internasionale terreurorganisasies, word In die ontplooiing van paddamanne, outonome onderwatervoertuie (AUV's), en mikro-duikbote vir verkennings-, sabotasie-, ontploffings en mynlegging-operasies dikwels in kleinskaalse operasies uitgevoer. Afstandbeheerde onbemande duikbote (ROV) en ander onderwatervoertuie is toegerus met verskeie opsporingstoerusting vir veiligheidsbeskerming, en spesifieke vereistes word vir die belangrikste tegniese aanwysers van hul sonar gestel. In hierdie referaat, wat gemik is op die vereistes van akoestiese opsporing van die wakkerborrels van oppervlakskepe, is 'n model ontwerp en ontwikkel met 3 ~ 100kHz ultrawyeband-ontvangs- en oordragfunksies, wat intydse akoestiese meting onder water van die wakkerborrels van skepe teen 'n groot openingshoek kan uitvoer, en vereis dat die stuurfunksie van elke ander afhanklik is. En beheerbaar, die algehele struktuur moet kompak wees, die fisiese grootte is klein, en dit is maklik om te installeer en te gebruik op 'n klein ROM. Met inagneming van die werklike vereistes en werklike werksomstandighede, is die belangrikste tegniese aanwysers van die omskakelaar wat in hierdie artikel beskryf word, soos volg: 1) Die uitsaaifrekwensie is 3~100kHz, en die ontvangfrekwensie is 1~100kHz. 2) Die emissieklankbronvlak ≥ 189dB. 3) Ontvangs sensitiwiteit ≥ -180dB. 4) In-band fluktuasie ≤ 6dB. 5) Straalwydte (horisontaal) ≥ 90° (-3dB). 6) Straalwydte (vertikaal) ≥ 70° (-3dB). 7) Werkende waterdiepte ≥ 500m. 8) Afmetings ≤ 350 mm × 150 mm × 250 mm. 9) Massa ≤ 10 kg. Onder hulle is ROV 'n klein opsporingstruktuur, en die dravermoë daarvan is beperk, dus moet die transducer so klein as moontlik wees, lig in gewig en maklik om te implementeer onder die veronderstelling dat prestasie-aanwysers voldoen word.

 

2 Transducer ontwerp en ontwikkeling

 

2.1 Transduktorontwerp en simulasie-analise

Die onderwater silinderiese transducer behoort aan 'n aparte struktuur van ontvangs en uitsending. Die uitsaai-einde word gerealiseer deur drie saamgestelde staafstruktuur-transduktors te gebruik, en die ooreenstemmende frekwensiebande is 3 ～ 18kHz, 18 ～ 45kHz, 45 ～ 100kHz; die ontvangkant word gerealiseer deur gebruik te maak van 2 piëzo-elektriese keramiekringreeks hidrofone, en die frekwensiebande is onderskeidelik Dit is 1-40kHz, 40-100kHz. Die bogenoemde uitsaai- en ontvangtransduktorbasis is as 'n geheel verpak, en 'n anti-akoestiese keerplaat is binne ontwerp. Nadat die pakket geïntegreer is, is die totale massa ongeveer 9 kg. Die algehele vorm van die transducer is 'n onreëlmatige kuboïed. Die basiese grootte is ongeveer 310 mm × 150 mm × 220 mm. Die voorkoms word in Figuur 1 getoon. Die hoofkabel kan gekoppel word aan eksterne sonar elektroniese toerusting in die vorm van verbindings.

 

Met die oog op die belangrikste tegniese indeksvereistes van die akoestiese onderwater-omskakelaar in hierdie artikel, gekombineer met die bogenoemde ontwerpskema, word simulasie-analise van die versending- en ontvangprestasie daarvan uitgevoer. As gevolg van die komplekse struktuur van die omskakelaar wat in hierdie vraestel ontwerp is en die wye frekwensiebanddekking, is teoretiese ontledingsmetodes nie geskik vir berekening en simulasie nie. Soos ons almal weet, is die eindige-elementmetode 'n numeriese simulasiemetode wat wyd in die huidige ingenieurspraktyk gebruik word. Gebruik ANSYS-sagteware om 'n vryveld-waterarea te simuleer en 'n vereenvoudigde model van die transducer te vestig. Kies 'n punt in die ver-veld-eenheid direk voor die voorblad om die klankdruk te bereken, en dan kan die transduser se uitsaaispanningsreaksie omgeskakel word. In die ver-veld-eenheid, kies die klankdruk in elke rigting op 'n sekere afstand langs die middel van die transducer om die oop hoek van die transducer se emissie-gerigtheid te bereken. Aangesien die saamgestelde staaftransduktor aksiale simmetrie het, word 'n 2D aksimmetriese transducer eindige element model gekies vir eindige element analise. Wanneer ANSYS-berekening gebruik word, is dit nodig om die invloed van water op die transducer in ag te neem. Gewoonlik is die ekwivalente effek 'n waterpolo, en dan word die las toegepas om die oplossing te bereken. Die model van die transducer in die water word in Figuur 2 en 3 getoon.

 

Dit kan gesien word uit Figure 2 en 3 dat die transduktors ontwerp is met dubbelresonansie piek breëband. Die resonansiefrekwensies van die 3~18kHz-eenheid van die uitsaai-omskakelaar is 5kHz, 14kHz, en die resonansiefrekwensies van die eenheid van 18~45kHz is 20kHz, 40kHz, en die resonansiefrekwensies van 45~100kHz. Die 1-40kHz-eenheid van die ontvangende hidrofoon gebruik 'n piëso-elektriese ring, en die enkelring-resonansiefrekwensie is groter as 40kHz om 'n plat werkfrekwensieband te verseker. Die interne twee-reeks en twee-parallelle struktuur verbeter sensitiwiteit en stabiliteit; die 40-100kHz-eenheid van die ontvangende hidrofoon gebruik piëzo-elektriese saamgestelde materiaal, die resonansiefrekwensie is groter as 100kHz om platheid in die band te verseker. In hierdie vraestel word die eindige elementvergelyking gebruik as MU ¨ + CU · +KU = F (1) waar: M die massamatriks is; C is die dempmatriks; K is die styfheidsmatriks; U is die nodale verplasingsvektor; F is die lasvektor. Die emissiespanningsreaksievlak TVR is TVR = 20lg p RV + 120 (2) waar: p die klankdruk van die nodus is; R is die afstand vanaf die nodus na die ekwivalente middelpunt van die klankbron; V is die toegepaste spanning. Onttrek die klankdruk p van die nodus op die akoestiese as in ANSYS, en bereken die emissie-responskromme van die transducer. In die werklike ontwerp is die oordragdeel van die akoestiese onderwater-omskakelaar saamgestel uit drie soorte saamgestelde staafoordragtransduktors, wat breëband-rigting-emissie realiseer en terselfdertyd die agterste bestraling onderdruk. Die uitsaai-omskakelaar dek 'n wye frekwensiereeks en word hoofsaaklik vir akoestiese onderwatermeting gebruik. Dit moet goeie in-band platheid hê om die akkuraatheid van akoestiese onderwatermeting te verseker. In ingenieurswese word metodes soos die optimering van die grootte van die uitstralende kop van die transducer, of die beheer van die fase-optimering om die skommelinge in die band te verminder, en die reeksweerstand op die piëso-elektriese keramiekstapel voor en na die dubbelresonansie (of 'dubbele opwekking') emissie-omvormer dikwels gebruik. , Om die fluktuasie van die transduktor se uitstuurspanningsreaksie in die werkfrekwensieband verder te verminder. Hierdie vraestel oorweeg die grootte en kwaliteit van die transducer wat op die klein ROM gemonteer is, sowel as die algehele installasiestruktuur, en neem hoofsaaklik die literatuurmetode aan om die binneband-skommeling van die transducer te onderdruk, dit wil sê die metode om die weerstand van die ooreenstemmende weerstand aan te pas. As aangeneem word dat die reeksweerstand van die voorste en agterste piëso-elektriese keramiekstapels binne die transduktor onderskeidelik R1 en R2 is, word die weerstandswaardes van R1 en R2 aangepas om die platheid van die transduktor in die band te beheer. Deur eindige-element-analise word die emissiereaksie van die transducer onder verskillende weerstandswaardes gesimuleer. Deur die ontwerpte 18~45kHz dubbel-resonansie-transduktor as 'n voorbeeld te neem, toon die simulasie-analise dat die uitstuurreaksie varieer met die weerstandswaardekromme soos getoon in Figuur 4. Dit kan gesien word uit die figuur dat die aanpassing van R1 en R2 basies die platheid in die frekwensieband van die transducer kan beheer. Deur die weerstande R1 en R2 te optimaliseer, kan die gevolgtrekking gemaak word dat wanneer R1=940 Ω , R2=330 Ω , dit beter in-band platheid het. (Getoon deur die stippellyn in Figuur 4), en die algehele binneband-emissiereaksie verander nie veel nie,

 

Dit kan voldoen aan die ontwerpvereistes, gekombineer met die werklike fisiese grootte en breëband-impedansie-passing, kan omvattende simulasie 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz en 45 ~ 100kHz sender-senderspanningsreaksie-simulasieresultate kry, soos getoon in Figuur 5-7. Dit kan gesien word uit Fig. 5-7 dat die senderspanningsreaksie van die omskakelaar nie minder as 140dB in die frekwensieband is nie, wat voldoen aan die vereistes van ontwerpinsetverwante tegniese aanwysers, en 'n groter klankbronvlak vir langafstand-onderwater-akoestiese opsporing kan verskaf.

Die ontvangsdeel van die hidro-akoestiese transducer word gerealiseer deur die kombinasie van twee stelle hidrofoonskikkings, wat elk 'n serie- en parallelle verbinding van piëso-elektriese keramiekringe aanneem om rigting-ontvangs te verkry. Onder hulle word die 1-40kHz frekwensieband hidrofoon gemaak in die vorm van twee piëso-elektriese keramiekringe wat in serie gekoppel is. Die sensitiwiteit van 'n enkele hidrofoon is nie minder nie as -193dB, en die sensitiwiteit van die hidrofoon na serieverbinding is nie minder nie as -178dB. Die resultate van die sensitiwiteitsimulasie-analise word in Figuur 8 getoon. Die hidrofoon het geen horisontale rigting nie (baffle-verstelbare rigting kan toegepas word), en die 3kHz vertikale rigting is ongeveer 130 ° . Die simulasieresultate word in Figuur 9 getoon. Die 40kHz vertikale rigting is ongeveer 73 ° , en die simulasieresultate word in Figuur getoon 

 

 

11. Die ontvangsdeel van die hidrofoon in die 40~100kHz frekwensieband neem twee piëso-elektriese keramiekringreeksstruktuur aan. Die werkfrekwensie kan voldoen aan die gebruik van 40 ~ 100kHz, maar die sensitiwiteit is laag. Na die serieverbinding is die sensitiwiteit van die hidrofoon nie minder nie as -180dB. Die sensitiwiteitsimulasieresultate is soos volg Soos getoon in Figuur 11. Die vlak van die hidrofoon het geen rigting nie ('n stootplaat kan aangewend word om die rigting aan te pas), en die vertikale rigting by 100kHz is ongeveer 77 ° . Die simulasieresultate word in Figuur 12 getoon

Volgens die simulasie-analise gebaseer op die eindige element-metode, kan die gekombineerde transducer wat in hierdie vraestel ontwerp is, voldoen aan die ontwerp-insetvereistes in terme van oordrag en ontvang, en die belangrikste tegniese aanwysers is bevredig.

 

 2.2 Transducer ontwikkeling

Die breëband gekombineer sferiese onderwater akoestiese transducer is geïnstalleer op 'n klein ROM vir gebruik. Op grond van die behoeftes van breëband akoestiese opsporing, fokus dit op klein grootte en ligte gewig ontwerp. In hierdie vraestel, gekombineer met die algehele struktuurontwerp van 'n klein ROM, word die finale ontwikkelde omskakelaar in Figuur 13 getoon. Die spesifieke ontwerpstruktuur word in Figuur 14 getoon. Die breëband gekombineerde onderwater akoestiese omvormer wat in hierdie vraestel ontwerp en ontwikkel is, dek die uitsendfrekwensiereeks van 3~100kHz, die ontvangsfrekwensieband van die totale massa 1~10kHz van die fisiese voorwerp, 9.4kg (in die lug, insluitend die bracket en verbindingskabel), die grootte is 328.5mm × 140mm × 240mm, wat kleiner is as die grootte en kwaliteitvereistes in die ontwerpinset, wat die ROM-dravermoëvereistes verminder. Die omskakelaar word gepas en op die ROM-liggaam geïnstalleer, en die werklike voorwerp na installasie word getoon in Figuur 15. Die simulasie-analise-resultate kan as ontwerpverwysingsinsette gebruik word, maar in die daaropvolgende werklike ontwikkeling en ontfoutingsproses moet dit aangepas word volgens die werklike metingsituasie om aan die werklike gebruiksvereistes te voldoen.

 

3 Eksperimentele toets

Die uitsaaideel van die breëband gekombineerde akoestiese onderwater-omskakelaar neem 3 vertikale eenhede aan om 'n werkfrekwensieband te vorm wat 3~100kHz dek, en die ontvangsdeel neem 2 onafhanklike eenhede aan om 'n werkfrekwensieband te vorm wat 1~100kHz dek. Die algehele uitleg van uitsaai aan beide kante en ontvang in die middel word aangeneem om die openingshoek van die transducer te verseker. 'n Anti-akoestiese keerplaat is binne die transducer ontwerp om die interne weerkaatsing en superposisie van die akoestiese sein te verminder. Terselfdertyd word 'n verstelbare ondersteuningsmeganisme in die ontvangsdeel aangeneem, en die hoogte van die ontvangstransduktor word beperk volgens die werklike toetssituasie aangepas om die ontvangsopeningshoek verder uit te brei om die okklusie en weerkaatsing van die transducer-dop en die ROV-liggaam te vermy. Nadat die ontwikkeling voltooi is, om die werklike werkverrigting van die transducer verder te verkry, wat verskil van die onafhanklike transceiver-toetsmetode wat gewoonlik in die laboratorium gebruik word, word die algehele akoestiese werkverrigting-indekstoets van die transducer hier gebruik. Dit wil sê, nadat die geheel op die ROV geïnstalleer is, word die tenktoets van die transducer uitgevoer onder simulerende werklike werksomstandighede om verder te bevestig dat die transducer op die ROV geïnstalleer is en deur die ROV-struktuur beïnvloed word, om sodoende die werklike werkstoestand van die transducer te verkry. Werklike prestasie parameters. 'n Omvattende toets is in 'n anechoiese poel uitgevoer om die verwesenliking van sy prestasie-aanwysers te verifieer. Die toetstoestande van die weerlose waterpoel. die kamertemperatuur is 25 ℃ , die lengte van die toetskabel is 3 m, die waterdiepte is 3 m, die omgewingswatertemperatuur is 20 ℃ , die isolasieweerstand is 500 M Ω , die statiese kapasitansie is 51 000 pF, en die toetsafstand is 6,2 m. Die werklike metingsresultate word in Figure 16 getoon

 

 

Die ROV word gebruik om 'n breëband gekombineerde onderwater akoestiese transducer te monteer om breëband onderwater akoestiese detectie van die wakkerborrels van 'n oppervlakskip uit te voer, en die relevante akoestiese eienskappe van die wakkerborrels en die fisiese grootte van die wakker te verkry. In die spesifieke meertoets is die oppervlakskip gebruik om hoëspoed-direkte navigasie op die wateroppervlak te maak. Die skip was 7,5 m lank, 3 m wyd, en het 'n diepgang van 0,35 m gehad. Die skroef van die eksterne enjin was 0,8 m onder water. Die toetswaterarea is 'n oop area van 'n meer, die gemiddelde diepte van die area is 35m, en die spoed van die skip is 10 knope wanneer die meetpunt verby is. Die ROV is toegerus met 'n breëband gekombineerde onderwater akoestiese transducer in hierdie artikel vir deurlopende meting. In herhaalde metings word verskillende akoestiese frekwensiekombinasies vir opsporing gebruik, en die meetresultate van wakkerborrelverspreiding word verkry, soos in Figuur getoon

 

 

Dit kan gesien word uit Figuur 18 dat die werklike meting van die skip se wakker borrelgrootte gekonsentreer is in die hoë digtheid van 10-20 μm . Die meetresultaat stem ooreen met die hoogste borrelgetaldigtheid in die nasleep wat deur die literatuur gegee word met 'n radius van 10-20 μm , wat bewys dat die transducer .Die toestel voldoen aan die toetsvereistes in die werklike werksomgewing. Terselfdertyd word die omskakelaar gebruik om voortdurend die wakkerborrellaag te meet wat gevorm word nadat die oppervlakskip se vaar, en volgens die verkrygde akoestiese teikenintensiteitinligting van die wakkerborrel, gekombineer met die huidige akoestiese onderwater-omgewing (soos klankspoed, waterdiepte, ens.) en vorige data (soos transdusersensitiwiteit, emissieklankbronvlak, beraamde stroombaanversterking, ens.), ooreenstemmende stroombaanversterking, ens. verkry die borrelsterktekurwe met diepte en tyd soos getoon in Figuur 19. Dit kan gesien word uit Figuur 19 dat die wakkerborrelduur ongeveer 173 s is, en die werklike meetmiddeldikte van die wakkerborrel is 1,46 m, wat basies ooreenstem met die empiriese formule wat deur die konvensionele wakkerberekeningsformule gegee word. Samevattend, deur die algehele metingstoets in die anechoiese poel, toon die metingsresultate dat die werklike werkverrigting van die transducer basies ooreenstem met die simulasieresultate. Dit word op die ROV-platform geïnstalleer en geverifieer deur die werklike navigasietoets op die meer. Die toetsresultate toon dat die omskakelaar 'n wye frekwensieband dek, 'n klein struktuur het, en die metingsresultate is basies in ooreenstemming met empiriese formules. Die metingsdata is geloofwaardig en kan voldoen aan die vereistes van oppervlakskeepswakkerborrels.

 

 4 Gevolgtrekking

 

 Hierdie vraestel stel 'n gekombineerde geïntegreerde transducer-ontwerpmetode voor, met 'n lae- tot hoëfrekwensie breëband bedryfsfrekwensieband, wat gekenmerk word deurdat die uitsaaikant 3~100kHz kan dek, die ontvangkant 1~100kHz dek, en die openingshoek is nie minder nie as 70 ° ; Aanneming van 'n aparte transceiver-uitleg, uitstuur aan beide kante, ontvangs gekonsentreer in die middel, interne akoestiese stootstruktuurontwerp; die interne komponente van die transducer is geïntegreer en word deur 'n waterdigte verbinding uitgevoer, wat die kompleksiteit van eksterne verbindings verminder; Deur die middelsteunstruktuur van die transducer kan die algehele swaartepunt van die transducer aangepas word, wat gerieflik is vir die aanpassing en installering van klein onderwatervoertuie soos ROV; die oop uitleg van die transducer, die meganiese lasdraing deur die metaalsteun, verminder die hele transducer Die kwaliteit en grootte van die toestel verbeter die pasvorm. Hierdie omskakelaar het die voordele van wye werkfrekwensieband, groter openingshoek en ligter gewig onder die beperking van klein grootte. Dit is suksesvol toegepas op 'n klein ROM, wat die probleem van ultrawyeband onderwater akoestiese toetsing op 'n klein ROM-platform oplos. Het hoë militêre en burgerlike waarde.