Ontwerp van aandryf- en ontvangkring gebaseer op akoestiese onderwater-omskakelaar

Begin van die behoeftes van militêre duikboot kommunikasie en siviele onderwater kommunikasie, 'n enkelrigting vlak onderwater hidro-akoestiese transducer met 'n resonansie frekwensie van 150 kHz is vervaardig, en die sender en ontvanger dryfkringe van die transducer is ontwerp gebaseer op die beginsel van punt-tot-punt kommunikasie. Die akoestiese onderwateromskakelaar word in die waterarea geplaas en aan die stroombaan gekoppel om die langafstand-onderwaterkommunikasiefunksie te realiseer. Die stroombaan is op 'n selfontwerpte eksperimentele platform getoets. Die toetsresultate toon dat die vervaardigde transducer 'n hoër emissiespanningsreaksie en -sensitiwiteit, enkelrigting het, en die onderwater akoestiese kommunikasiekring het verstelbare frekwensie, en die kommunikasie is duidelik en stabiel. Die akoestiese onderwater-kommunikasiekring kan vir militêre en burgerlike kommunikasie gebruik word, en is maklik om te beweeg en te dra, en maklik om te ontfout. Weens die absorpsie van elektromagnetiese golwe, liggolwe en ander energievorme deur seewater en die bestaan ​​van diepsee 'konvergensiesones', is klankgolwe tans die enigste bekende energievorm wat seine draadloos oor lang afstande onder water kan uitstuur. Klankgolwe met 'n vibrasiefrekwensie bo 20 kHz word ultrasoniese golwe genoem. In vergelyking met gewone klankgolwe, het ultrasoniese golwe beter rigting, sterker deurdringingskrag en beter refleksieprestasie. Daarom word hulle wyd gebruik in inligtingoordrag, skadeopsporing, afstandstoetsing en mediese en gesondheidsvelde. Maar in die voortplantingsproses neem die energieverlies van die klankgolf in die waterkanaal toe met die toename van die frekwensie, sodat die beskikbare bandwydte van die waterkanaal smal is en die inligtingskapasiteit klein is. Daarom speel die werkverrigting van die stuur- en ontvangsdryfkring 'n belangrike rol in die kwaliteit van akoestiese onderwaterkommunikasie. In die vorige eeu het die Amerikaanse Harris Acoustic Products Company, Frankryk en die Verenigde Koninkryk hidro-akoestiese kommunikeerders ontwikkel wat geskik is vir onderwaterskeepskommunikasie. Hulle het enkelsybandmodulasie gebruik en grootvolume-hidrofone gebruik as die 'venster' vir seinversending en -ontvangs. , Om 'n sekere afstand van onderwater kommunikasie te bereik, maar die toerusting is kompleks, die transducer is groot en die rigting is nie skerp genoeg nie, nie geskik vir burgerlike gebruik nie; Saamgestel in 'n analoog kommunikasie stelsel gebaseer op Linux sein verwerking sagteware, op die kanaal simulator Langafstand kommunikasie word gerealiseer, maar die ideale ontwerp kanaal is anders as die werklike water kanaal; ander het 'n onderwaterkommunikasiestelsel gebou wat gebaseer is op parallelle gekombineerde karteringvolgorde verspreidingspektrum, met behulp van DSP-skyfie as die inligtingverwerkingsmodule, om sodoende onderwaterversteekte, hoëspoed-oordrag van inligting tussen platforms te realiseer. Die 555-tydhouer word egter tradisioneel gebruik om 'n dragolf met 'n spesifieke vibrasiefrekwensie op te wek om die dryfkring van die omskakelaar aan te dryf, en die gegenereerde golfvormfrekwensiestabiliteit is relatief swak; en die onlangs opkomende DSP-skyfieverwerkingstegnologie het komplekse algoritmes en moet vir verskillende waters uitgevoer word. Die ingewikkelde berekeningswysiging en vergoeding is nie geskik vir grootskaalse bevordering in die burgerlike veld nie. Boonop is die probes wat in die kommunikasiekringsein-sender-ontvangertoestelle gebruik word nie skerp genoeg nie, die krag is nie gekonsentreer nie en die bandwydte is relatief smal, wat nie bevorderlik is vir seinversending en -ontvangs nie. Die meeste ultrasoniese transceivers is egter nie geskik vir waterkanaalwerking nie en kan nie aan werklike burgerlike en militêre behoeftes voldoen nie.

 

1) Gebaseer op 'n klein volume eenrigting akoestiese onderwateromskakelaar , hierdie vraestel gebruik dubbelsybandmodulasie en koherente demodulasiemetodes om 'n stuur- en ontvangsdryfkring te ontwikkel wat geskik is vir onderwaterkommunikasie. Die onderwater akoestiese kommunikasiekring het 'n hoë frekwensie bandbenutting en frekwensie verstelbaar, geskik vir 0 kHz ~ 12. Die 5 MHz frekwensie reeks omskakelaar het 'n kommunikasieafstand van tot 100 meter. Die uitsaai- en dryfkring, die ontvang- en dryfkring, en die sender-omskakelaar en hidrofoon in die stroombaan vorm saam 'n stel hidro-akoestiese kommunikasiestelsels. Die stelsel gebruik die sender en hidrofoon as die 'venster' vir seinuitruiling, gebruik STM32F103RCT6 en AD9833 as die draseinbron, en kombineer die relevante modemkomponente om uiteindelik stabiele en duidelike kommunikasie te verkry.

 

1 Transducer produksie

 

Die 1-3 piëzo-elektriese saamgestelde materiaal verwys na 'n materiaal wat gevorm word deur een-dimensionele gekoppelde piëzo-elektriese keramiekkolomme wat in parallel gerangskik is in 'n drie-dimensionele gekoppelde polimeer. In vergelyking met suiwer keramiek piëzo-elektriese materiale 1-3 piëzo-elektriese saamgestelde materiale, het dit beter effekte in skade opsporing en die vervaardiging van stuur en ontvang transducers. Daarom neem die akoestiese golf-ontvangermodule van hierdie stelsel 'n vlakke ultrasoniese transducer aan wat gemaak is van 1-3 piëzo-elektriese saamgestelde materiale wat in die laboratorium ontwikkel is, wat bestaan ​​uit 'n 1-3 piëzo-elektriese saamgestelde vlak sensitiewe element, 'n waterdigte klankdeurlaatbare laag, 'n elektrodelood en 'n stewige skuim en metaalbedekking. Voor die maak van die transducer, is dit nodig om ANSYS eindige element simulasie sagteware te gebruik vir model argitektuur en simulasie berekening.

 

Simulasie van 1-3 piëzo-elektriese saamgestelde sensor

 

In die ANSYS eindige element simulasie sagteware, stel eers die eenheid tipe, digtheid, Poisson se verhouding en Young se modulus van die epoksiehars, en stel die digtheid, styfheid matriks, diëlektriese konstante matriks en piëso-elektriese matriks van die piëso-elektriese keramiek. Tweedens, stel die struktuur van die 1-3 piëzo-elektriese saamgestelde materiaal model: 'n vlak met 'n lengte van 100 mm, 'n breedte van 100 mm, en 'n dikte van 10 mm, waarin die wydte van die polimeerfase is 0. 28 mm, die breedte van die piëzo-elektriese keramiekkolom is 4 mm 1. Op hierdie manier is die volume fraksie van die PZT piëzo-elektriese keramiek klein kolom in die saamgestelde materiaal 51. 84%. Aangesien die model van die 1-3 saamgestelde materiaal twee-fase materiale bevat, is die berekeningshoeveelheid groot wanneer die simulasieberekening uitgevoer word. Om die berekeningsbedrag te verminder, word een eenheid van die 1-3 piëso-elektriese saamgestelde materiaal gekies vir die simulasieberekening. Die struktuurdiagram van die 1-3 piëso-elektriese saamgestelde materiaalmodel en die driedimensionele diagram van die piëso-elektriese keramiekkolom is soos volg:

1-3 tipe piëzo-elektriese saamgestelde materiaal elemente word gemasker, en simmetrie-grenstoestande word by die grens rondom die Z-as (lengte) van die element gevoeg, en 1 V spanning word by die boonste oppervlak van die piëzo-elektriese keramiek gevoeg in die positiewe rigting van die Z-as, Z = 0 V Voeg 'n spanning van die onderste oppervlak 0 Stipe by die frekwensie analise en kies die frekwensie. ontledingsreeks (50 ~ 250 kHz) en die aantal stappe), en dan oplos en naverwerk, word die verkrygde toelatingsdiagram in Figuur 2 getoon. Uit Figuur 2 kan gesien word dat die transducer aan die frekwensievereistes voldoen, en die sensitiewe komponente kan volgens die gestelde parameters gemaak word.

 

Die 1-3 tipe piëzo-elektriese saamgestelde sensor is gemaak van piëzo-elektriese keramiekblokke met 'n lengte van 100 mm, 'n breedte van 100 mm en 'n dikte van 10 mm. Sny in die lengte- en breedterigtings volgens die modelontwerp, en spuit dan epoksiehars 618 in. Nadat dit vir 24 uur gestaan ​​het, voer dieselfde snywerk aan die keersy uit om die oortollige epoksiehars in die dikterigting af te poets om 'n 1-3 tipe te maak. Piëso-elektriese saamgestelde materiaal. Gebruik alkohol om die oppervlak van die saamgestelde materiaal skoon te maak, en pas silwerpasta toe om die elektrode te vergoed wat vernietig is deur die epoksiehars te poleer, en maak uiteindelik die 1-3 piëzo-elektriese saamgestelde materiaal sensitiewe element. Gebruik Agilent 4294A impedansie-ontleder om die sensitiewe komponente te toets. Die toetsresultate toon dat die bandwydte van die 1-3 tipe piëso-elektriese saamgestelde materiaal sensor 1 is wanneer die resonante frekwensie 151 kHz is. 71 kHz, die akoestiese impedansie is 17. 47 Pa·s/m3, die geleidingswaarde is 104. 6 mS, die elektromeganiese koppelingskoëffisiënt is 0. 68. Die meganiese kwaliteitsfaktor is 88. 18. Die toetsresultaat van die sensitiewe materiaal is goed.

 

1.3 Vervaardiging van hoëfrekwensie eenrigting-planêr onderwater hidro-akoestiese transducer Voeg grafiet by die poliuretaan waarvan die hoofkomponent epoksiehars is en roer om die vereiste waterdigte klankdeurlaatbare laag te maak, en maak die vorm volgens die grootte van die transducer vir giet en verseël, En maak uiteindelik 'n hoëfrekwensie eenrigting-planêre onderwater akoestiese transducer.

 

1. 4 Transducer prestasie toets

Om die werkverrigting van die omskakelaar te toets, sluit hoofsaaklik die meet van sy transmissiespanningsreaksie, ontvangs van sensitiwiteit en rigtingverrigting in. Die meting van die rigting van 'n transducer word gewoonlik gebruik om sy rigtingpatroon te teken. Tydens die meting word die omskakelaar wat getoets word geroteer om die doel te bereik om die omskakelaar se stuurreaksie te meet of sensitiwiteit te ontvang met die asimuthoek, en dan word die rigtingpatroon van die omskakelaar verkry na omskakeling

 

2 Kringontwerp

 

Met inagneming van die punt-tot-punt-kommunikasiemetode en kragbenuttingstempo, neem hierdie artikel dubbelsyband (DSB) seinmodulasie en koherente demodulasie aan. Die modulasiebeginsel word in vergelyking (1) getoon: uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Die demodulasiebeginsel word in vergelyking (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Waar: uDSB die gemoduleerde sein is; uc (t) is die gemoduleerde sein; uΩ (t) is die draersein. Die noodsaaklike funksie van die DSB-modulasiekring is 'n vermenigvuldiger, wat die drasein gebruik om die inligting wat deur die basisbandsein gedra word, oor te dra. Tydens demodulasie word die gemoduleerde sein vermenigvuldig met 'n draer van dieselfde frekwensie en fase, en dan deur 'n banddeurlaatfilter gevoer om die oorspronklike sein te verkry. Die energie-omskakelingstoestel wat benodig word vir seinoordrag, neem die vlakke ultrasoniese transducer aan wat in hierdie artikel gemaak word. Die beginsel van die stuur- en ontvangsdryfkringstelsel word getoon.

 

2. 1 Kringmodule

Die STM32F103RC enkelskyfie-mikrorekenaar gebruik die Cortex-M3-kern, en sy maksimum SVE-spoed is 72 MHz. In vergelyking met die 51- en 52-model-enkelskyfie-mikrorekenaars, is die instruksie-uitvoerspoed vinniger, die volume is kleiner en die integrasie is maklik. AD9833 is 'n lae kragverbruik,

programmeerbare seingenereringsmodule, wat geprogrammeer kan word om sinus-, vierkant- en driehoekgolwe in 'n sekere frekwensiereeks te genereer. Die FSYNC-poort daarop is die insetvlak-snellerpoort, wat dien as die raamsinchronisasie en aktiveersein. Wanneer FSYNC laag is, kan data oorgedra word. Daarbenewens het AD9833 'n 16-bis beheerregister. Deur die beheerregister te programmeer, kan AD9833 werk in die toestand wat deur die gebruiker vereis word. Die gebruik van STM32F103RC model enkelskyfie mikrorekenaar om AD9833 sein generasie module te beheer produseer minder sinusgolf vervorming. Die stroombaan word aangedryf deur die TPS5430-skakelkragtoevoermodule, wat stabiele 5 V- en 12 V-spannings kan verskaf, wat die vervorming en vertraging van seinoordrag vermy.

 

Wanneer die eksterne oudiosein die aandryfkring binnegaan, word dit vermenigvuldig met die 150 kHz sinusgolf wat deur die draergenereringsmodule in die vermenigvuldiger AD835-module (dubbelsybandmodulasiestap) gegenereer word, en dan filter die banddeurlaatfilter 'n deel van die geraas van die vermenigvuldigeruitsetsein uit. Die gegenereerde sein word deur die kragversterker versterk en dan aan die uitsaai-omskakelaar gekoppel, en uiteindelik stuur die uitsaai-omskakelaar die sein in die water. Dubbelsybandmodulasie kan die basisbandsein na die drafrekwensie beweeg om multipleksing te bewerkstellig en kanaalbenutting te verbeter; tweedens brei dit die seinbandwydte uit, verbeter die anti-interferensievermoë van die stelsel en verbeter die sein-tot-geraas-verhouding. In hierdie dryfkring versterk die kragversterker die sein om die omskakelaar te laat werk. Die eksterne oudiosein kan musiek wees wat gelei word deur die oorfoonaansluiting van 'n elektroniese toestel, soos 'n selfoon, of 'n sein wat deur eksterne klank deur 'n mikrofoonmodule omgeskakel en gelei word.

 

2. 3 Ontvangs en dryfkring

Nadat die uitsaai-omskakelaar die klankgolfsein na die waterkanaal oorgedra het, word 'n ooreenstemmende ontvangsdryfkring benodig om die sein in die waterkanaal te ontvang en die oorspronklike gemoduleerde sein te herstel. Die werkbeginsel van die ontvangsdryfkring wat in hierdie artikel ontwerp is. Nadat die ontvangsdryfkring die sein in die kanaal ontvang het, word dit deur die hoëfrekwensiedraad na die hoogdeurlaatfilter gestuur, en die geraas wat deur die stroombaan gegenereer word en in die kanaal gemeng word, word verwyder. Dan word hierdie sein en 150 kHz sinusgolf vermenigvuldig in die vermenigvuldiger AD835 module. Die uitset van die vermenigvuldigerbewerking word deur die koaksiale hoëfrekwensiekabel na die banddeurlaatfilter oorgedra, en die sein in die vereiste frekwensiereeks word gekies (koherente demodulasiestap). Laastens word die kragversterkermodule TDA2030A gebruik om die luidsprekermodule aan te dryf, en die gedemoduleerde sein word in die vorm van oudio gespeel. In hierdie stelsel moet beide die transmitterende dryfkring en die ontvangende dryfkring die spanningstabiliserende module TPS5430 gebruik om die stabiele en stabiele werking van die spanning van elke module te verseker, en die filters is almal 4de-orde aktiewe filters. Die dragolwe wat in die modulasie- en demodulasieproses gebruik word, is almal van dieselfde frekwensie, wat deur die aktiewe AD9833-module gegenereer word nadat dit deur die STM32F103RC-mikrobeheerder geprogrammeer is.

 

3 Eksperimentele verifikasie

3. 1 Hidroakoestiese kommunikasie verifikasie

Om die funksie van hierdie stelsel te verifieer, is 'n onderwater akoestiese kommunikasietoets uitgevoer in 'n meer met 'n radius van ongeveer 100 m. Stuur die sender-omskakelaar en die ontvanger-omskakelaar

Die ontvangers word onderskeidelik aan die twee kante van die meer in die deursnee-rigting geplaas, onderskeidelik gekoppel aan die transmitterende dryfkring en die ontvangsdryfkring. Aangesien die frekwensie van menslike stem oor die algemeen in die reeks van 8-10 kHz is, insluitend baie botoonkomponente, word die oudiosein van 'n liedjie lukraak gekies as die modulasiesein. Die sein word deur 'n ossilloskoop vertoon, die oorspronklike oudiomodulasiesein word in Figuur 7(a) getoon, en die 150 kHz-draerseinuitset deur AD9833 word in Figuur 7(b) getoon.

Die draersein en oudiomodulasiesein word ingevoer na die vermenigvuldiger om voorlopige modulasie uit te voer. Nadat dit deur 'n ossilloskoop gemeet is, word die uitsetsein van die vermenigvuldiger in Figuur 8 getoon.

Volgens die frekwensievertoning in Figuur 8, voldoen dit aan die dubbelsybandmodulasiewet. Die uitsetsein van die vermenigvuldiger word deur die koaksiale kabel in die kragversterker ingevoer, en die krag van die sein word in 'n kleiner vervormingsreeks verhoog om die omskakelaar te dryf om die sein uit te voer. Stuur transducer-invoer wat deur ossilloskoop vertoon word. Die sein word in Figuur 9 getoon.

Dit kan in Figuur 9 waargeneem word dat die braam verdwyn het, dit wil sê die geraas wat deur die stroombaan gegenereer word, is uitgefiltreer. Die ontvangomskakelaar, dit wil sê die hidrofoon, ontvang die sein vanaf die kanaal soos in Figuur 10 getoon.

Die sein wat deur die hidrofoon ontvang word, bevat oudioseine, geraas en 'n deel van die gesuperponeerde sein wat veroorsaak word deur die meerpad-effek in die kanaal, wat lei tot foute en oorvleuelings in sommige seingolfvorms. Nadat die ontvangde sein deur 'n hoogdeurlaatfilter gefiltreer is om lae-frekwensie geraas en gesuperponeerde seine te verwyder, word dit gedemoduleer met 'n 150 kHz sinusgolf in 'n stelsel wat uit 'n vermenigvuldiger en 'n banddeurlaatfilter bestaan ​​om die oorspronklike basisbandsein te herstel, en die luidspreker word aangedryf deur die kragversterkermodule TDA2030A. Die oorspronklike klanksein word sonder vervorming uitgesaai. Die uitsaai klanksein is die oorspronklike musieksein. Die oudiosein wat deur die ontvangsdryfkring herstel word, word in die onderste golfvorm van Figuur 11 getoon.

Figuur 11 toon 'n vergelyking van die twee golfvorms. Die boonste deel wys die sein wat deur die hidrofoon ontvang word, en die onderste deel is die herstelde oudioseingolfvorm. Die klankherstel-effek is goed. Die golfvorms van die oorspronklike oudiosein en die herstelde oudiosein word vergelyk en vergelyk met die oorspronklike oudio en die werklike klankklankkwaliteit. Die resultaat toon dat die stelsel 'n 150 kHz hoëfrekwensie eenrigting-planêre hidro-akoestiese transducer kan aandryf. Die klanksein kan met hoë gehalte uitgesaai word, en die klank aan die uitsaaikant is duidelik en stabiel.

 

3. 2 Frekwensieverstelbaarheidverifikasie

Nadat geverifieer is dat die stelsel en die ooreenstemmende transducer normaal werk en funksioneer, word 'n tweede eksperiment uitgevoer om die verstelbaarheid van die frekwensie van die stelsel te verifieer. Programmeer die seinopwekkingsmodule om dit te verander om by die 300 kHz-omskakelaar te pas wat in die laboratorium gemaak is. Toets die seinoordrag effek. Die oudiomodulasiesein word in Figuur 12(a) getoon, en die nuut herstelde oudiosein word in Figuur 12(b) getoon.

Die seingolfvorm wat deur die ossilloskoop bespeur word, verteenwoordig die oorgedrade oudiosein. In Figuur 12(b) is die boonste deel die sein wat deur die hidrofoon ontvang word, en die onderste deel is die herstelde oudioseingolfvorm. Deur die inset- en uitvoerklankseine van die stelsel te vergelyk en te ontleed, kan gesien word dat die stelsel oudioseine met hoë kwaliteit kan oordra, dit wil sê die stelsel kan aanpas by seine van verskillende resonansiefrekwensies binne 'n sekere frekwensiereeks.

 

3. Prestasie-indeksontleding

Eerstens, onder die toestand van hoëfrekwensie akkurate oordrag van inligting, is die voortplantingsafstand van hierdie stelsel meer as 100 m by 150 kHz, wat die akoestiese onderwaterkommunikasieafstand van minder as 100 meter ver oorskry wat deur baie onderwaterkommunikasiestelsels bereik word ten koste van seinoordragkwaliteit. Tweedens, in terme van die werkverrigting van die transmissie-inligtingbandwydte, in vergelyking met baie onderwater akoestiese kommunikasiestelsels met 'n bandwydte van ongeveer 200 Hz op die mark, kan die transmissiebandwydte van hierdie stelsel 1. 71 kHz bereik, wat grootliks die vervorming van klankseine tydens kommunikasie vermy. Ten slotte, in terme van die kwaliteit van stemkommunikasie, word die duidelikheid van die stem wat deur die laaste ontvangkant uitgesaai is, as die meetstandaard gebruik. In vergelyking met baie siviele waterstemkommunikasietoerusting met groot geraas en onduidelike seine, word die stelsel onder dieselfde meertoestande getoets. Die klank is duidelik en stabiel.

 

4 Gevolgtrekking

Hierdie artikel ontwerp 'n stel onderwater akoestiese kommunikasiekring gebaseer op die praktiese toepassing van punt-tot-punt kommunikasie en onderwater akoestiese kommunikasie. In die eerste plek, gebaseer op die relevante teorieë van transduktorontwerp en die resultate van die laboratorium, word die struktuur van die transducer gesimuleer deur ANSYS eindige element simulasie sagteware, en die metode van sny en vul word uitgevoer deur die hoëprestasie sensitiewe materiaal PZT5-A te gebruik as die piëzo-elektriese Keramiese funksionele materiaal fase, epoksiesaping van epoksiehars 6, maak piezolektriese fase, maak piezo-kolom eenrigting 1-3 tipe piëso-elektriese saamgestelde hidro-akoestiese vlakke transducer. Toe is die vervaardigde omskakelaar in die kommunikasiestelsel gebruik, en 'n onderwater akoestiese kommunikasiekring met stabiele struktuur en duidelike kommunikasie is ontwikkel. Hierdie stroombaan kan effektiewe onderwaterkommunikasie realiseer, en as gevolg van die ontwerp van die modulasie- en demodulasiekring en die verstelbare frekwensie van die drasein, kan die stroombaan ook met die ultrasoniese sonde ooreenstem om die funksies van langafstandfoutopsporing en afstandmeting te realiseer.