Návrh, vývoj a aplikace širokopásmového kombinovaného podvodního akustického měniče

zavedení

 

Oceán není jen důležitým pokladem rybolovu a nerostných zdrojů, ale také důležitým místem pro země k udržení národní bezpečnosti a vojenských bojů. Podvodní akustická technologie se proto stala důležitým prostředkem pro současný průzkum a rozvoj mořských zdrojů, podvodní komunikaci a navigaci lodí, detekci a rozpoznávání podvodních cílů, stejně jako monitorování mořského prostředí a předpovídání přírodních katastrof. The podvodní akustický měnič je nositelem vyzařování a příjmu zvukových vln v podvodní akustické technologii a jeho technická úroveň přímo ovlivňuje nebo dokonce určuje konečný realizační efekt podvodní akustické technologie. Aktivní detekce sonaru a průzkum mořských zdrojů vyžadují snímače s nízkou frekvencí, vysokým výkonem a malými rozměry. Simulace šumu a kalibrace sonaru vyžaduje podvodní akustické měniče s ultranízkou frekvencí a ultraširokopásmovými charakteristikami. V oblasti podvodní akustické komunikace se vyžaduje, aby podvodní akustické měniče měly vlastnosti vysoké účinnosti, ultraširokopásmového připojení, vysoké citlivosti a plochého v pásmu. Obecně se podvodní akustické měniče vyvíjejí směrem k nízkofrekvenčnímu, širokopásmovému, vysokému výkonu, malé velikosti a hluboké vodě. Hlubinný snímač využívá metodu vnitřního proplachování pro práci v hloubce až 11 000 m a využívá spojení vnitřní olejové dutiny a konstrukčních částí k vytvoření vícerežimové vibrace, která rozšiřuje frekvenční pásmo snímače. Multirezonanční dutina je tvořena přetékajícími kulatými trubicemi různých velikostí a pracovní frekvenci lze upravit změnou velikosti kulatých trubek pro získání širšího měniče.

 

Šířka pásma frekvenčního rozsahu je 200Hz~2kHz. Průměr podvodní hydrofonový měnič je 250 mm a délka je 500 mm. Pásmo pokrytí je 7~15kHz, úroveň zdroje zvuku je 200dB, citlivost příjmu -176dB a pracovní hloubka pod vodou je 11000m. Nedávno vyvinutý měnič má velikost Průměr je 240 mm, délka 420 mm, frekvenční pásmo pokrytí je 1,8 ～ 8,0 kHz, odezva přenosu je 144 dB a fluktuace uvnitř pásma je menší než 6 dB. Stručně řečeno, zámořské podvodní akustické měniče pokryly celé pracovní frekvenční pásmo, dokonce pokryly celou vodní plochu, a vytvořily určité měřítko ve strojírenství, serializaci a zobecnění, představující pokročilou úroveň průmyslu. Domácí výzkumné ústavy a další související jednotky provedly mnoho výzkumů a experimentů a dosáhly určitých výsledků. Stále však existuje určitá mezera v klíčové technologii a technologii zpracování podvodních akustických měničů ve srovnání se zahraničím, zejména v roce Stále se zvyšující požadavky na ultraširokopásmové, malé rozměry a vysoký výkon při podvodní akustické detekci vyžadují hloubkový výzkum. Požadavky na vývoj. S rozvojem technologie snižování hluku lodí v různých zemích se hladina hluku lodí a podvodních cílů postupně snižovala. Podvodní zbraně a vybavení, jako jsou torpéda, většinou používají širokopásmové podvodní akustické měniče k rozšíření detekčního dosahu a zlepšení komplexní podvodní akustiky. Schopnost detekce a přesnost zásahu pod pozadím dozvuku zvyšují schopnost rozpoznání podvodních cílů. Kromě toho, v reakci na různá námořnictva, zpravodajské agentury, ekonomické subjekty a dokonce i mezinárodní teroristické organizace, se při nasazování žabích mužů, autonomních podvodních vozidel (AUV) a mikroponorek pro průzkum, sabotáže, výbuchy a operace kladení min často provádějí v operacích malého rozsahu. Dálkově ovládané bezpilotní ponorky (ROV) a další podvodní prostředky jsou vybaveny různými detekčními zařízeními pro bezpečnostní ochranu a jsou kladeny specifické požadavky na hlavní technické indikátory jejich sonarů. V tomto dokumentu, zaměřeném na požadavky akustické detekce brázdných bublin hladinových lodí, je navržen a vyvinut model s ultraširokopásmovými přijímacími a vysílacími funkcemi 3 ～ 100 kHz, které mohou provádět podvodní akustické měření brázdných bublin lodí v reálném čase pod velkým úhlem otevření a vyžadují, aby přijímací a vysílací funkce byly na sobě nezávislé. A ovladatelné, celková struktura musí být kompaktní, fyzická velikost je malá a snadno se instaluje a používá na malé ROM. S ohledem na skutečné požadavky a skutečné pracovní podmínky jsou hlavní technické ukazatele převodníku popsané v tomto článku následující: 1) Vysílací frekvence je 3~100 kHz a přijímací frekvence je 1~100 kHz. 2) Hladina zdroje zvuku ≥ 189 dB. 3) Citlivost příjmu ≥ -180dB. 4) Kolísání uvnitř pásma ≤ 6 dB. 5) Šířka paprsku (horizontální) ≥ 90° (-3dB). 6) Šířka paprsku (vertikálně) ≥ 70° (-3dB). 7) Hloubka pracovní vody ≥ 500 m. 8) Rozměry ≤ 350 mm × 150 mm × 250 mm. 9) Hmotnost ≤ 10 kg. Mezi nimi je ROV malá detekční struktura a její nosná kapacita je omezená, takže snímač musí být co nejmenší, lehký a snadno implementovatelný za předpokladu splnění výkonnostních ukazatelů.

 

2 Návrh a vývoj převodníku

 

2.1 Návrh převodníku a simulační analýza

The podvodní válcový převodník patří do samostatné struktury příjmu a vysílání. Vysílací konec je realizován pomocí tří vysílacích měničů s kompozitní tyčovou strukturou a odpovídající frekvenční pásma jsou 3 ～ 18 kHz, 18 ～ 45 kHz, 45 ～ 100 kHz; přijímací konec je realizován pomocí 2 piezoelektrických keramických prstencových hydrofonů a frekvenční pásma jsou v tomto pořadí 1-40kHz, 40-100kHz. Výše zmíněná vysílací a přijímací základna měniče je zabalena jako celek a uvnitř je navržena antiakustická ozvučnice. Po začlenění balení je celková hmotnost asi 9 kg. Celkový tvar převodníku je nepravidelný kvádr. Základní rozměr je cca 310 mm × 150 mm × 220 mm. Vzhled je znázorněn na obrázku 1. Hlavní kabel lze připojit k externímu elektronickému zařízení sonaru ve formě konektorů.

 

Zaměření na hlavní požadavky technického indexu podvodního akustického měniče v tomto článku v kombinaci s výše uvedeným schématem návrhu je provedena simulační analýza jeho vysílací a přijímací výkonnosti. Vzhledem ke složité struktuře převodníku navrženého v tomto článku a širokému pokrytí frekvenčního pásma nejsou metody teoretické analýzy vhodné pro výpočty a simulace. Jak všichni víme, metoda konečných prvků je metoda numerické simulace široce používaná v současné inženýrské praxi. Použijte software ANSYS k simulaci vodní plochy na volném poli a vytvořte zjednodušený model snímače. Vyberte bod v jednotce vzdáleného pole přímo před předním krytem pro výpočet akustického tlaku a poté lze převést odezvu vysílacího napětí převodníku. V jednotce vzdáleného pole vyberte akustický tlak v každém směru v určité vzdálenosti podél středu snímače pro výpočet otevřeného úhlu směrovosti vyzařování snímače. Protože kompozitní tyčový snímač má osovou symetrii, je pro analýzu konečných prvků vybrán 2D osově symetrický model konečných prvků. Při použití výpočtu ANSYS je nutné zvážit vliv vody na převodník. Obvykle je ekvivalentním efektem vodní pólo a potom se zatížení použije pro výpočet řešení. Model převodníku ve vodě je znázorněn na obrázcích 2 a 3..

 

Z obrázků 2 a 3 je vidět, že vysílací měniče jsou navrženy s duálním rezonančním špičkovým širokopásmovým připojením. Rezonanční frekvence jednotky 3~18kHz vysílacího měniče jsou 5kHz, 14kHz a rezonanční frekvence jednotky 18~45kHz jsou 20kHz, 40kHz a rezonanční frekvence 45~100kHz, 55k. Jednotka 1–40 kHz přijímacího hydrofonu používá piezoelektrický prstenec a rezonanční frekvence s jedním prstencem je větší než 40 kHz, aby bylo zajištěno ploché pracovní frekvenční pásmo. Vnitřní dvouřadá a dvouparalelní struktura zlepšuje citlivost a stabilitu; 40-100kHz jednotka přijímacího hydrofonu používá piezoelektrický kompozitní materiál, rezonanční frekvence je větší než 100kHz, aby byla zajištěna plochost v pásmu. V tomto článku je rovnice konečných prvků použita jako MU ¨ + CU · +KU = F (1) kde: M je hmotnostní matice; C je matrice tlumení; K je matice tuhosti; U je vektor uzlového posunutí; F je vektor zatížení. Úroveň odezvy emisního napětí TVR je TVR = 20 lg p RV + 120 (2) kde: p je akustický tlak uzlu; R je vzdálenost od uzlu k ekvivalentnímu středu zdroje zvuku; V je použité napětí. Extrahujte akustický tlak p uzlu na akustické ose v ANSYS a vypočtěte křivku emisní odezvy převodníku. Ve skutečném provedení je vysílací část podvodního akustického měniče složena ze tří druhů kompozitních tyčových vysílacích měničů, které realizují širokopásmové směrové vyzařování a zároveň potlačují zadní záření. Vysílací převodník pokrývá široký frekvenční rozsah a používá se především pro podvodní akustické měření. Aby byla zajištěna přesnost podvodního akustického měření, musí mít dobrou rovinnost uvnitř pásma. Ve strojírenství se často používají metody, jako je optimalizace velikosti vyzařovací hlavy měniče nebo řízení optimalizace fáze za účelem snížení kolísání v pásmu a sériového odporu na piezoelektrické keramické soustavě před a za emisním měničem s duální rezonancí (nebo 'duální buzení'). , Pro další snížení kolísání odezvy vysílacího napětí převodníku v pracovním frekvenčním pásmu. Tento článek se zabývá velikostí a kvalitou převodníku namontovaného na malé ROM, stejně jako celkovou strukturou instalace, a hlavně přejímá metodu z literatury pro potlačení fluktuace vysílacího převodníku v pásmu, to znamená metodu nastavení odporu přizpůsobovacího rezistoru. Za předpokladu, že sériový odpor předního a zadního piezoelektrického keramického svazku uvnitř vysílacího měniče je R1 a R2, jsou hodnoty odporu R1 a R2 nastaveny tak, aby řídily plochost vysílacího měniče v pásmu. Prostřednictvím analýzy konečných prvků je simulována odezva vyzařování vysílacího měniče při různých hodnotách odporu. Vezmeme-li jako příklad navržený 18~45kHz vysílací převodník s dvojitou rezonancí, simulační analýza ukazuje, že odezva přenosu se mění s křivkou hodnoty odporu, jak je znázorněno na obrázku 4. Z obrázku je vidět, že nastavením R1 a R2 lze v zásadě ovládat plochost ve frekvenčním pásmu vysílacího převodníku. Optimalizací odporů R1 a R2 lze usoudit, že když R1=940 Ω , R2=330 Ω , má lepší vnitropásmovou plochost. (znázorněno tečkovanou čarou na obrázku 4) a celková odezva vyzařování v pásmu se příliš nemění,

 

Může splňovat požadavky na design, v kombinaci se skutečnou fyzickou velikostí a přizpůsobením širokopásmové impedance může komplexní simulace získat výsledky simulace napěťové odezvy vysílače 3 ~ 18 kHz, 18 ~ 45 kHz a 45 ~ 100 kHz, jak je znázorněno na obrázku 5-7. Je to vidět z Obr. 5-7, že napěťová odezva vysílače převodníku není menší než 140 dB ve frekvenčním pásmu, což splňuje požadavky technických indikátorů souvisejících s návrhem vstupu a může poskytnout větší úroveň zdroje zvuku pro akustickou detekci pod vodou na velké vzdálenosti.

Přijímací část hydroakustického měniče je realizována kombinací dvou sad hydrofonových polí, z nichž každá využívá sériové a paralelní zapojení piezoelektrických keramických kroužků pro dosažení směrového příjmu. Mezi nimi je hydrofon s frekvenčním pásmem 1-40 kHz vyroben ve formě dvou piezoelektrických keramických prstenců zapojených do série. Citlivost jednoho hydrofonu není menší než -193dB a citlivost hydrofonu po sériovém zapojení není menší než -178dB. Výsledky simulační analýzy citlivosti jsou uvedeny na obrázku 8. Hydrofon nemá horizontální směrovost (lze použít směrovost nastavitelnou přepážkou) a vertikální směrovost 3 kHz je asi 130 ° . Výsledky simulace jsou zobrazeny na obrázku 9. Vertikální směrovost 40 kHz je přibližně 73 ° a výsledky simulace jsou zobrazeny na obrázku 

 

 

11. Přijímací část hydrofonu ve frekvenčním pásmu 40 ~ 100 kHz využívá strukturu dvou piezoelektrických keramických prstenců. Pracovní frekvence může splňovat použití 40 ~ 100 kHz, ale citlivost je nízká. Po sériovém zapojení není citlivost hydrofonu menší než -180dB. Výsledky simulace citlivosti jsou následující Jak je znázorněno na obrázku 11. Úroveň hydrofonu nemá směrovost (pro nastavení směrovosti lze použít přepážku) a vertikální směrovost při 100 kHz je asi 77 ° . Výsledky simulace jsou zobrazeny na obrázku 12

Podle simulační analýzy založené na metodě konečných prvků může kombinovaný převodník navržený v tomto článku splnit vstupní požadavky návrhu z hlediska vysílání a příjmu a jsou splněny hlavní technické ukazatele.

 

 2.2 Vývoj převodníku

Širokopásmové připojení dohromady sférický podvodní akustický měnič je instalován na malé ROM pro použití. Na základě uspokojení potřeb širokopásmové akustické detekce se zaměřuje na malé rozměry a nízkou hmotnost. V tomto dokumentu, v kombinaci s celkovým návrhem struktury malé paměti ROM, je finální vyvinutý měnič zobrazen na obrázku 13. Konkrétní konstrukční struktura je znázorněna na obrázku 14. Širokopásmový kombinovaný podvodní akustický měnič navržený a vyvinutý v tomto dokumentu pokrývá rozsah vysílacích frekvencí 3~100 kHz, přijímací frekvenční pásmo 1~100 kHz, a celková hmotnost vzduchového kabelu je 9 kg a velikost vzduchového kabelu je 4 kg. 328,5 mm × 140 mm × 240 mm, což je menší než požadavky na velikost a kvalitu ve vstupním návrhu, což snižuje požadavky na nosnost ROM. Převodník je spárován a instalován na tělo ROM a skutečný objekt po instalaci je znázorněn na obrázku 15. Výsledky simulační analýzy lze použít jako referenční vstup pro návrh, ale v následném skutečném vývoji a procesu ladění je třeba jej upravit podle skutečné situace měření, aby vyhovoval skutečným požadavkům na použití.

 

3 Experimentální test

Vysílací část širokopásmového kombinovaného podvodního akustického měniče přijímá 3 vertikální jednotky k vytvoření pracovního frekvenčního pásma pokrývajícího 3~100 kHz a přijímací část přijímá 2 nezávislé jednotky k vytvoření pracovního frekvenčního pásma pokrývajícího 1~100 kHz. Celkové rozložení vysílání na obou koncích a příjmu uprostřed je přizpůsobeno tak, aby byl zajištěn úhel otevření snímače. Uvnitř měniče je navržena antiakustická přepážka, která snižuje vnitřní odraz a superpozici akustického signálu. Současně je v přijímací části přijat nastavitelný podpůrný mechanismus a výška přijímacího snímače je omezena podle aktuální testovací situace, aby se dále rozšířil úhel přijímacího otvoru, aby se zabránilo okluzi a odrazu pláště snímače a těla ROV. Po dokončení vývoje, za účelem dalšího získání skutečného pracovního výkonu měniče, který je odlišný od metody nezávislého testu transceiveru obvykle používané v laboratoři, se zde používá test indexu celkového akustického výkonu měniče. To znamená, že poté, co je celek nainstalován na ROV, je provedena zkouška nádrže snímače za simulujících skutečných pracovních podmínek, aby se dále potvrdilo, že snímač je nainstalován na ROV a je ovlivněn strukturou ROV, aby se získal skutečný provozní stav snímače. Skutečné výkonové parametry. Byl proveden komplexní test v anechoickém bazénu, aby se ověřila realizace jeho výkonnostních ukazatelů. Zkušební podmínky bezodrazového vodního bazénu. okolní pokojová teplota je 25 ℃ , délka testovacího kabelu je 3 m, hloubka vody je 3 m, teplota okolní vody je 20 ℃ , izolační odpor je 500 M Ω , statická kapacita je 51 000 pF a zkušební vzdálenost je 6,2 m. Skutečné výsledky měření jsou uvedeny na obrázcích 16

 

 

ROV se používá k montáži širokopásmového kombinovaného podvodního akustického snímače k ​​provádění širokopásmové podvodní akustické detekce bublin brázdy hladinové lodi a získání příslušných akustických charakteristik bublin brázdy a fyzické velikosti brázdy. Ve specifickém jezerním testu byla povrchová loď použita k vysokorychlostní přímé navigaci na vodní hladině. Loď byla 7,5 m dlouhá, 3 m široká a měla ponor 0,35 m. Vrtule externího motoru byla 0,8 m pod vodou. Testovací vodní plocha je otevřená plocha jezera, průměrná hloubka plochy je 35 m, rychlost lodi při průjezdu měřícím bodem je 10 uzlů. ROV je vybaven širokopásmovým kombinovaným podvodním akustickým měničem v tomto článku pro kontinuální měření. Při opakovaných měřeních se pro detekci používají různé kombinace akustických frekvencí a získají se výsledky měření distribuce bublin brázdy, jak je znázorněno na obrázku

 

 

Z obrázku 18 je patrné, že skutečné měření velikosti bublin lodi je soustředěno do vysoké hustoty 10-20 μm . Výsledek měření je v souladu s nejvyšší hustotou počtu bublin ve stopě udávanou literaturou s poloměrem 10-20 μm , což dokazuje, že snímač .Zařízení splňuje požadavky testu ve skutečném pracovním prostředí. Snímač se zároveň používá ke kontinuálnímu měření vrstvy bublin vytvořené poté, co vypluje povrchová loď, a podle získaných informací o intenzitě cíle akustické bubliny v kombinaci s aktuálním podvodním akustickým prostředím (jako je rychlost zvuku, hloubka vody atd.) a předchozími údaji (jako je citlivost snímače, zesílení obvodu zdroje zvuku na úrovni zdroje zvuku atd.), odhadnuté podle odpovídajícího algoritmu zpracování, jak je znázorněno na obrázku 19, a lze je získat z křivky času na obrázku 19. 19, že trvání bubliny brázdy je asi 173 s a skutečná tloušťka bubliny střední brázdy je 1,46 m, což je v zásadě v souladu s empirickým vzorcem daným konvenčním vzorcem pro výpočet brázdy. Stručně řečeno, prostřednictvím celkového testu měření v anechoickém bazénu výsledky měření ukazují, že skutečný výkon snímače je v zásadě konzistentní s výsledky simulace. Je instalován na platformě ROV a ověřen skutečným navigačním testem na jezeře. Výsledky testů ukazují, že převodník pokrývá široké frekvenční pásmo, má malou strukturu a výsledky měření jsou v zásadě v souladu s empirickými vzorci. Data měření jsou věrohodná a mohou splňovat požadavky bublin na hladině lodí.

 

 4 Závěr

 

 Tento dokument navrhuje kombinovanou metodu návrhu integrovaného převodníku s nízkofrekvenčním až vysokofrekvenčním širokopásmovým provozním frekvenčním pásmem, který se vyznačuje tím, že vysílací konec může pokrýt 3~100kHz, přijímací konec pokrývá 1~100kHz a úhel otevření není menší než 70 ° ; Přijetí samostatného uspořádání transceiveru, vysílání na obou koncích, příjem soustředěný ve středu, konstrukce vnitřní akustické ozvučnice; vnitřní součásti převodníku jsou integrovány a vystupují přes vodotěsný konektor, což snižuje složitost externích připojení; Prostřednictvím středové nosné konstrukce převodníku lze upravit celkové těžiště převodníku, což je vhodné pro přizpůsobení a instalaci malých podvodních vozidel, jako je ROV; otevřené uspořádání snímače, mechanická nosnost přes kovovou podpěru snižuje celý snímač Kvalita a velikost zařízení zlepšují přizpůsobení. Tento převodník má výhody širokého pracovního frekvenčního pásma, větší úhel otevření a nižší hmotnost při omezení malých rozměrů. Byl úspěšně aplikován na malou ROM, která řeší problém ultraširokopásmového podvodního akustického testování na malé platformě ROM. Má vysokou vojenskou a civilní hodnotu.