Návrh budícího a přijímacího obvodu na bázi podvodního akustického měniče

Počínaje potřebami vojenských ponorkových komunikací a civilních podvodních komunikací, jednosměrné rovinné Byl vyroben podvodní hydroakustický převodník s rezonanční frekvencí 150 kHz a budicí obvody vysílače a přijímače převodníku byly navrženy na principu komunikace bod-bod. Podvodní akustický měnič je umístěn ve vodní oblasti a připojen k okruhu pro realizaci funkce dálkové podvodní komunikace. Obvod byl testován na vlastní experimentální platformě. Výsledky testu ukazují, že vyrobený převodník má vyšší emisní napěťovou odezvu a citlivost, jedinou směrovost a podvodní akustický komunikační obvod má nastavitelnou frekvenci a komunikace je jasná a stabilní. Podvodní akustický komunikační obvod lze použít pro vojenskou i civilní komunikaci a lze jej snadno přemisťovat a přenášet a lze jej snadno ladit. Vzhledem k absorpci elektromagnetických vln, světelných vln a dalších forem energie mořskou vodou a existenci hlubokomořských 'konvergenčních zón' jsou zvukové vlny v současnosti jedinou známou formou energie, která může pod vodou bezdrátově přenášet signály na velké vzdálenosti. Zvukové vlny s frekvencí vibrací nad 20 kHz se nazývají ultrazvukové vlny. Ve srovnání s běžnými zvukovými vlnami mají ultrazvukové vlny lepší směrovost, silnější penetrační sílu a lepší odrazový výkon. Proto jsou široce používány při přenosu informací, zjišťování poškození, testování na dálku a v lékařských a zdravotních oborech. Ale v procesu šíření se energetická ztráta zvukové vlny ve vodním kanálu zvyšuje se zvyšováním frekvence, takže dostupná šířka pásma vodního kanálu je úzká a informační kapacita je malá. Proto výkon vysílacího a přijímacího obvodu pohonu hraje zásadní roli v kvalitě podvodní akustické komunikace. V minulém století vyvinula americká společnost Harris Acoustic Products Company, Francie a Spojené království hydroakustické komunikátory vhodné pro komunikaci pod vodou. Používali modulaci s jedním postranním pásmem a jako 'okno' pro přenos a příjem signálu používali velkoobjemové hydrofony. , K dosažení určité vzdálenosti podvodní komunikace, ale zařízení je složité, snímač je velký a směrovost není dostatečně ostrá, není vhodná pro civilní použití; Sestaveno do analogového komunikačního systému založeného na softwaru pro zpracování signálu Linux na simulátoru kanálu Dálková komunikace je realizována, ale ideální design kanálu se liší od skutečného vodního kanálu; jiní vybudovali podvodní komunikační systém založený na paralelním kombinovaném rozprostřeném spektru sekvencí mapování s použitím čipu DSP jako modulu pro zpracování informací, čímž realizovali podvodní skrytý, vysokorychlostní přenos informací mezi platformami. Časovač 555 se však tradičně používá ke generování nosné vlny se specifickou frekvencí vibrací pro pohon budícího obvodu převodníku a stabilita frekvence generované vlny je relativně špatná; a nedávno se objevující technologie zpracování čipů DSP má složité algoritmy a je třeba je používat v různých vodách. Složitá úprava výpočtu a kompenzace nejsou vhodné pro rozsáhlou propagaci v civilní oblasti. Navíc sondy používané v komunikačních obvodech signálových transceiverů, které byly vyvinuty, nejsou dostatečně ostré, výkon není koncentrovaný a šířka pásma je relativně úzká, což neprospívá přenosu a příjmu signálu. Většina ultrazvukových transceiverů však není vhodná pro provoz ve vodních kanálech a nemůže splnit skutečné civilní a vojenské potřeby.

 

1) Na základě malého objemu jednosměrný podvodní akustický převodník , tento článek využívá dvoustrannou modulaci a koherentní demodulační metody k vývoji vysílacího a přijímacího budícího obvodu vhodného pro podvodní komunikaci. Podvodní akustický komunikační obvod má využití vysokofrekvenčního pásma a nastavitelný kmitočet, vhodný pro 0 kHz ~ 12. Snímač kmitočtového rozsahu 5 MHz má komunikační vzdálenost až 100 metrů. Vysílací a řídící obvod, přijímací a řídící obvod a vysílací převodník a hydrofon v obvodu společně tvoří sadu hydroakustického komunikačního systému. Systém používá vysílač a hydrofon jako 'okno' pro výměnu signálu, používá STM32F103RCT6 a AD9833 jako zdroj nosného signálu a kombinuje příslušné komponenty modemu, aby nakonec dosáhl stabilní a čisté komunikace.

 

1 Výroba převodníků

 

Piezoelektrický kompozitní materiál 1-3 označuje materiál tvořený jednorozměrně spojenými piezoelektrickými keramickými sloupci uspořádanými paralelně v trojrozměrném spojeném polymeru. Ve srovnání s čistými keramickými piezoelektrickými materiály 1-3 piezoelektrickými kompozitními materiály má lepší účinky při detekci poškození a výrobě vysílacích a přijímacích měničů. Proto modul vysílače/přijímače akustických vln tohoto systému využívá planární ultrazvukový měnič vyrobený z 1-3 piezoelektrických kompozitních materiálů vyvinutých v laboratoři, který se skládá z 1-3 piezoelektrického kompozitního planárního citlivého prvku, vodotěsné vrstvy propustné pro zvuk, elektrodového vedení a pevného složeného z vysoce kvalitní pěny a kovového krytu. Před výrobou převodníku je nutné použít software ANSYS pro simulaci konečných prvků pro architekturu modelu a simulační výpočet.

 

Simulace 1-3 piezoelektrického kompozitního senzoru

 

V softwaru pro simulaci konečných prvků ANSYS nejprve nastavte typ jednotky, hustotu, Poissonův poměr a Youngův modul epoxidové pryskyřice a nastavte hustotu, matici tuhosti, matici dielektrické konstanty a piezoelektrickou matici piezoelektrické keramiky. Za druhé, nastavte strukturu modelu piezoelektrického kompozitního materiálu 1-3: rovinu o délce 100 mm, šířce 100 mm a tloušťce 10 mm, ve které je šířka polymerní fáze 0,28 mm, šířka piezoelektrického keramického sloupce je 1,44 mm, výška je 10 mm. Tímto způsobem je objemový podíl piezoelektrické keramické malé kolony PZT v kompozitním materiálu 51,84 %. Vzhledem k tomu, že model kompozitního materiálu 1-3 obsahuje dvoufázové materiály, je výpočetní množství při provádění simulačního výpočtu velké. Aby se snížilo množství výpočtu, je pro simulační výpočet vybrána jedna jednotka 1-3 piezoelektrického kompozitního materiálu. Strukturní diagram modelu piezoelektrického kompozitního materiálu 1-3 a trojrozměrný diagram piezoelektrického keramického sloupce jsou následující:

1-3 prvky piezoelektrického kompozitního materiálu jsou propojeny a okrajové podmínky symetrie jsou přidány k hranici kolem osy Z (délka) prvku a 1 V napětí je přidáno na horní povrch piezoelektrické keramiky v kladném směru osy Z, Z = 0 Přidejte napětí 0 V ke spodnímu povrchu. Nastavte frekvenční rozsah analýzy a typ frekvenční analýzy (50 kHz) a vyberte počet kroků 05 kHz poté vyřešte a zpracujte, získaný diagram admitance je znázorněn na obrázku 2. Z obrázku 2 je vidět, že převodník splňuje požadavky na frekvenci a citlivé součástky lze vyrobit podle nastavených parametrů.

 

Piezoelektrický kompozitní snímač typu 1-3 je vyroben z piezoelektrických keramických bloků o délce 100 mm, šířce 100 mm a tloušťce 10 mm. Nařežte ve směru délky a šířky podle návrhu modelu a poté vstříkněte epoxidovou pryskyřici 618. Po 24 hodinách stání proveďte stejné řezání na rubové straně, abyste vyleštili přebytečnou epoxidovou pryskyřici ve směru tloušťky, abyste vytvořili typ 1-3. Piezoelektrický kompozitní materiál. Použijte alkohol k čištění povrchu kompozitního materiálu a aplikujte stříbrnou pastu pro kompenzaci elektrody zničené leštěním epoxidové pryskyřice a nakonec vytvořte citlivý prvek 1-3 piezoelektrického kompozitního materiálu. K testování citlivých součástí použijte analyzátor impedance Agilent 4294A. Výsledky testu ukazují, že šířka pásma piezoelektrického kompozitního materiálového senzoru typu 1-3 je 1, když je rezonanční frekvence 151 kHz. 71 kHz, akustická impedance je 17,47 Pa·s/m3, hodnota vodivosti je 104,6 mS, koeficient elektromechanické vazby je 0,68. Faktor mechanické kvality je 88,18. Výsledek testu citlivého materiálu je dobrý.

 

1.3 Zhotovení vysokofrekvenční jednosměrné rovinné podvodní hydroakustický měnič K polyuretanu, jehož hlavní složkou je epoxidová pryskyřice, přidejte grafit a zamíchejte, abyste vytvořili požadovanou vodotěsnou zvukově propustnou vrstvu, a vytvořte formu podle velikosti měniče pro nalévání a těsnění , A nakonec vyrobili vysokofrekvenční jednosměrný planární podvodní akustický měnič.

 

1. 4 Test výkonu převodníku

Testování výkonu převodníku zahrnuje především měření jeho přenosové napěťové odezvy, citlivosti příjmu a směrovosti. Měření směrovosti snímače se obvykle používá k vykreslení jeho směrového vzoru. Během měření se testovaný převodník otáčí, aby se dosáhlo účelu měření odezvy vysílání nebo příjmu převodníku s úhlem azimutu, a poté se po převodu získá směrový vzor převodníku.

 

2 Návrh obvodu

 

S ohledem na metodu komunikace bod-bod a míru využití energie tento článek využívá modulaci signálu ve dvou postranním pásmu (DSB) a koherentní demodulaci. Princip modulace je znázorněn v rovnici (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Princip demodulace je znázorněn v rovnici (2): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Kde: uDSB je modulovaný signál; uc (t) je modulovaný signál; uΩ (t) je nosný signál. Základní funkcí modulačního obvodu DSB je násobič, který využívá nosný signál k přenosu informace přenášené signálem v základním pásmu. Během demodulace je modulovaný signál vynásoben nosnou stejné frekvence a fáze a poté prochází pásmovou propustí, aby se získal původní signál. Zařízení pro přeměnu energie potřebné pro přenos signálu využívá planární ultrazvukový měnič vyrobený v tomto článku. Je ukázán princip vysílacího a přijímacího systému obvodu pohonu.

 

2. 1 Okruhový modul

Jednočipový mikropočítač STM32F103RC využívá jádro Cortex-M3 a jeho maximální rychlost CPU je 72 MHz. Ve srovnání s jednočipovými mikropočítači modelu 51 a 52 je rychlost provádění instrukcí vyšší, objem je menší a integrace je snadná. AD9833 má nízkou spotřebu energie,

programovatelný modul pro generování signálu, který lze naprogramovat tak, aby generoval sinusové, čtvercové a trojúhelníkové vlny v určitém frekvenčním rozsahu. Port FSYNC na něm je vstupní spouštěcí port, který slouží jako synchronizace snímků a signál povolení. Když je FSYNC nízká, data lze přenášet. Kromě toho má AD9833 16bitový řídicí registr. Naprogramováním řídicího registru může AD9833 pracovat ve stavu požadovaném uživatelem. Použití jednočipového mikropočítače STM32F103RC k řízení modulu generování signálu AD9833 produkuje menší zkreslení sinusové vlny. Obvod je napájen modulem spínaného zdroje TPS5430, který dokáže zajistit stabilní napětí 5 V a 12 V, čímž se zabrání zkreslení a zpoždění přenosu signálu.

 

Když externí zvukový signál vstoupí do obvodu měniče, je vynásoben sinusovou vlnou 150 kHz generovanou modulem pro generování nosné v modulu násobiče AD835 (krok dvoustranné modulace) a poté pásmová propust odfiltruje část šumu výstupního signálu násobiče. Generovaný signál je zesílen výkonovým zesilovačem a poté připojen k vysílacímu převodníku a nakonec vysílací převodník vysílá signál do vody. Dvoustranná modulace může posunout signál v základním pásmu na nosnou frekvenci, aby se dosáhlo multiplexování a zlepšilo využití kanálu; za druhé, rozšiřuje šířku pásma signálu, zlepšuje odolnost systému proti rušení a zlepšuje odstup signálu od šumu. V tomto budicím obvodu zesiluje výkonový zesilovač signál, aby uvedl převodník do činnosti. Externím zvukovým signálem může být hudba vedená konektorem sluchátek elektronického zařízení, jako je mobilní telefon, nebo signál převedený a vedený externím zvukem přes modul mikrofonu.

 

2. 3 Přijímací a řídicí obvod

Poté, co vysílací převodník vyšle signál zvukové vlny do vodního kanálu, je zapotřebí odpovídající přijímací budicí obvod pro příjem signálu ve vodním kanálu a obnovení původního modulovaného signálu. Princip činnosti přijímacího obvodu pohonu navrženého v tomto článku. Poté, co přijímací budicí obvod přijme signál v kanálu, je předán do vysokofrekvenčního filtru přes vysokofrekvenční vodič a šum generovaný obvodem a smíchaný v kanálu je odstraněn. Poté se tento signál a sinusovka 150 kHz vynásobí v modulu násobiče AD835. Výstup operace násobiče se koaxiálním vysokofrekvenčním kabelem přenese do pásmové propusti a zvolí se signál v požadovaném frekvenčním rozsahu (koherentní demodulační krok). Nakonec je modul výkonového zesilovače TDA2030A použit k pohonu reproduktorového modulu a demodulovaný signál je přehráván ve formě zvuku. V tomto systému musí jak vysílací budicí obvod, tak přijímací budicí obvod používat modul stabilizace napětí TPS5430, aby byl zajištěn stabilní a stabilní provoz napětí každého modulu, a všechny filtry jsou aktivní filtry 4. řádu. Nosné vlny používané v procesu modulace a demodulace mají všechny stejnou frekvenci, která je generována aktivním modulem AD9833 po naprogramování mikrokontrolérem STM32F103RC.

 

3 Experimentální ověření

3. 1 Ověření hydroakustické komunikace

Pro ověření funkce tohoto systému byl v jezeře o poloměru cca 100 m proveden podvodní test akustické komunikace. Vysílejte převodník vysílače a převodník přijímače

Přijímače jsou příslušně umístěny na dvou stranách jezera ve směru průměru, příslušně připojeny k vysílacímu hnacímu obvodu a přijímacímu hnacímu obvodu. Protože frekvence lidského hlasu je obecně v rozsahu 8-10 kHz, včetně mnoha alikvotních složek, je jako modulační signál náhodně vybrán zvukový signál písně. Signál je zobrazen osciloskopem, původní audio modulační signál je zobrazen na obrázku 7(a) a výstup nosného signálu 150 kHz z AD9833 je zobrazen na obrázku 7(b)

Nosný signál a audio modulační signál jsou vstupem do násobiče, aby provedly předběžnou modulaci. Po změření osciloskopem je výstupní signál násobiče znázorněn na obrázku 8.

Podle zobrazení frekvence na obrázku 8 odpovídá zákonu modulace dvou postranních pásem. Výstupní signál násobiče je přiváděn do výkonového zesilovače přes koaxiální kabel a výkon signálu se zvyšuje v menším rozsahu zkreslení, aby byl převodník přiveden na výstup signálu. Vstup vysílacího převodníku zobrazený osciloskopem. Signál je znázorněn na obrázku 9.

Na obrázku 9 lze pozorovat, že otřepy zmizely, to znamená, že hluk generovaný obvodem byl odfiltrován. Přijímací převodník, tedy hydrofon, přijímá signál z kanálu, jak je znázorněno na obrázku 10.

Signál přijímaný hydrofonem obsahuje audio signály, šum a část superponovaného signálu způsobeného vícecestným efektem v kanálu, což má za následek závady a překrývání v některých křivkách signálu. Poté, co je přijatý signál filtrován vysokofrekvenčním filtrem pro odstranění nízkofrekvenčního šumu a superponovaných signálů, je demodulován sinusovou vlnou 150 kHz v systému složeném z násobiče a pásmového filtru, aby se obnovil původní signál v základním pásmu, a reproduktor je řízen modulem výkonového zesilovače TDA2030A. Původní zvukový signál je vysílán bez zkreslení. Vysílaný zvukový signál je původní hudební signál. Zvukový signál obnovený přijímacím budicím obvodem je znázorněn ve spodním tvaru vlny na obrázku 11.

Obrázek 11 ukazuje srovnání dvou průběhů. Horní část zobrazuje signál přijímaný hydrofonem a spodní část je tvar vlny obnoveného zvukového signálu. Efekt obnovení zvuku je dobrý. Průběhy původního zvukového signálu a obnoveného zvukového signálu se porovnávají a porovnávají s původním zvukem a skutečnou kvalitou zvuku. Výsledek ukazuje, že systém může řídit 150 kHz vysokofrekvenční jednosměrný planární hydroakustický měnič. Zvukový signál lze přenášet ve vysoké kvalitě a zvuk na konci vysílání je čistý a stabilní.

 

3. 2 Ověření nastavitelnosti frekvence

Po ověření, že systém a přizpůsobený převodník fungují a fungují normálně, je proveden druhý experiment k ověření nastavitelnosti frekvence systému. Naprogramujte modul generování signálu tak, aby odpovídal 300 kHz převodníku vyrobenému v laboratoři. Vyzkoušejte účinek přenosu signálu. Zvukový modulační signál je znázorněn na obr. 12(a) a nově obnovený zvukový signál je znázorněn na obr. 12(b).

Křivka signálu detekovaná osciloskopem představuje přenášený audio signál. Na obrázku 12(b) je horní část signál přijatý hydrofonem a spodní část je tvar vlny obnoveného zvukového signálu. Porovnáním a analýzou vstupních a výstupních zvukových signálů systému lze vidět, že systém může přenášet zvukové signály s vysokou kvalitou, to znamená, že se systém může přizpůsobit signálům různých rezonančních frekvencí v určitém frekvenčním rozsahu.

 

3. Analýza indexu výkonnosti

Za prvé, za podmínky vysokofrekvenčního přesného přenosu informací je dosah tohoto systému více než 100 m při 150 kHz, což daleko převyšuje podvodní akustickou komunikační vzdálenost menší než 100 metrů dosahovanou mnoha podvodními komunikačními systémy na úkor kvality přenosu signálu. Za druhé, pokud jde o výkon přenosové informační šířky pásma, ve srovnání s mnoha podvodními akustickými komunikačními systémy se šířkou pásma kolem 200 Hz na trhu může přenosová šířka tohoto systému dosáhnout 1,71 kHz, což do značné míry zabraňuje zkreslení zvukových signálů během komunikace. A konečně, pokud jde o kvalitu hlasové komunikace, jako měřítko se používá čistota hlasového vysílání na posledním přijímacím konci. Ve srovnání s mnoha civilními vodními hlasovými komunikačními zařízeními s velkým šumem a nejasnými signály je systém testován za stejných podmínek jezera. Zvuk je čistý a stabilní.

 

4 Závěr

Tento článek navrhuje sadu podvodních akustických komunikačních obvodů založených na praktické aplikaci point-to-point komunikace a podvodní akustické komunikace. Nejprve je na základě relevantních teorií konstrukce převodníku a výsledků laboratoře simulována struktura převodníku pomocí softwaru pro simulaci konečných prvků ANSYS a metoda řezání a plnění je prováděna pomocí vysoce výkonného citlivého materiálu PZT5-A jako piezoelektrického Keramický funkční materiál fáze, epoxidová pryskyřice 618 je piezoelektrický sloupec typu piezo-polymerní fáze, vyplňující mezeru unizoelektrického kompozitu hydroakustický planární měnič. Poté byl vyrobený převodník použit v komunikačním systému a byl vyvinut podvodní akustický komunikační obvod se stabilní strukturou a jasnou komunikací. Tento obvod může realizovat efektivní podvodní komunikaci a díky konstrukci modulačního a demodulačního obvodu a nastavitelné frekvenci nosného signálu lze obvod také sladit s ultrazvukovou sondou, aby bylo možné realizovat funkce dálkové detekce vad a měření vzdálenosti.