Design, udvikling og anvendelse af bredbånds kombineret akustisk undervandstransducer

indledning

 

Havet er ikke kun en vigtig skat af fiskeri- og mineralressourcer, men også en vigtig position for lande til at opretholde national sikkerhed og militære kampe. Derfor er akustisk undervandsteknologi blevet et vigtigt middel til den nuværende udforskning og udvikling af marine ressourcer, undervandskommunikation og navigation af skibe, undervandsmåldetektion og -genkendelse samt havmiljøovervågning og naturkatastrofeprognoser. De undervands akustisk transducer er bæreren af ​​lydbølgeemission og -modtagelse i den undervands akustiske teknologi, og dens tekniske niveau påvirker direkte eller endda bestemmer den endelige realiseringseffekt af den akustiske undervandsteknologi. Aktiv sonardetektion og havressourceudforskning kræver transducere med lav frekvens, høj effekt og lille størrelse. Støjsimulering og ekkolodskalibrering kræver akustiske undervandstransducere med ultra-lav frekvens og ultra-bredbåndskarakteristika. Inden for akustisk undervandskommunikation skal undervands akustiske transducere have egenskaberne høj effektivitet, ultrabredbånd, høj følsomhed og fladt in-band. Generelt udvikler akustiske undervandstransducere sig hen imod lavfrekvente, bredbånd, høj effekt, lille størrelse og dybt vand. Dybvandstransduceren anvender den interne skyllemetode til at arbejde i en dybde på op til 11.000 m og bruger koblingen af ​​det indre oliehulrum og strukturelle dele til at danne multi-mode vibration, som udvider transducerens frekvensbånd. Et multiresonant hulrum dannes af overfyldte runde rør af forskellig størrelse, og arbejdsfrekvensen kan justeres ved at ændre størrelsen på de runde rør for at opnå en bredere transducer.

 

Båndbredden af ​​frekvensområdet er 200Hz~2kHz. Diameteren af undervands hydrofon transducer er 250 mm og længden er 500 mm. Dækningsbåndet er 7~15kHz, lydkildeniveauet er 200dB, modtagefølsomheden er -176dB, og arbejdsdybden under vand er 11000m. Den nyligt udviklede transducer har en størrelse på Diameteren er 240 mm, længden er 420 mm, dækningsfrekvensbåndet er 1,8 ~ 8,0 kHz, transmissionsresponsen er 144 dB, og udsvinget i båndet er mindre end 6 dB. Sammenfattende har oversøiske akustiske undervandstransducere dækket hele arbejdsfrekvensbåndet, endda dækket hele vandområdet, og har dannet en vis skala i teknik, serialisering og generalisering, hvilket repræsenterer industriens avancerede niveau. Indenlandske forskningsinstitutter og andre relaterede enheder har udført en masse forskning og eksperimenter og har opnået visse resultater. Der er dog stadig et vist hul i nøgleteknologien og behandlingsteknologien for akustiske undervandstransducere sammenlignet med udlandet, især i De stadigt stigende krav til ultrabredbånd, lille størrelse og høj ydeevne inden for akustisk undervandsdetektering kræver dybdegående forskning. Udviklingskrav .Med udviklingen af ​​støjreduktionsteknologi af skibe i forskellige lande er støjniveauet for skibe og undervandsmål gradvist blevet reduceret. Undervandsvåben og -udstyr såsom torpedoer bruger for det meste bredbåndsundervands akustiske transducere til at udvide detektionsområdet og forbedre kompleks undervandsakustik. Detektionsevnen og hit-nøjagtigheden under efterklangsbaggrunden forbedrer evnen til genkendelse af undervandsmål. Derudover, som svar på forskellige flåder, efterretningstjenester, økonomiske enheder og endda internationale terrororganisationer, udføres ofte autonome undervandsfartøjer (AUV'er) og mikroubåde til rekognoscering, sabotage, eksplosioner og mineudlægningsoperationer i små operationer. Fjernstyrede ubemandede undervandsfartøjer (ROV) og andre undervandsfartøjer er udstyret med forskelligt detektionsudstyr til sikkerhedsbeskyttelse, og der stilles specifikke krav til de vigtigste tekniske indikatorer for deres sonar. I dette papir, der sigter mod kravene til akustisk detektering af vågneboblerne fra overfladeskibe, er en model designet og udviklet med 3 ~ 100kHz ultrabredbåndsmodtagelses- og sendefunktioner, som kan udføre akustisk undervandsmåling i realtid af skibes vågnebobler i en stor åbningsvinkel, og som kræver, at hver anden sender-funktion er afhængig af, at hver anden sender-funktion. Og kontrollerbar, den overordnede struktur skal være kompakt, den fysiske størrelse er lille, og den er nem at installere og bruge på en lille ROM. I betragtning af de faktiske krav og faktiske arbejdsforhold er de vigtigste tekniske indikatorer for transduceren beskrevet i denne artikel som følger: 1) Sendefrekvensen er 3~100kHz, og modtagefrekvensen er 1~100kHz. 2) Emissionslydkildeniveauet ≥ 189dB. 3) Modtagelsesfølsomhed ≥ -180dB. 4) In-band udsving ≤ 6dB. 5) Strålebredde (vandret) ≥ 90° (-3dB). 6) Strålebredde (lodret) ≥ 70° (-3dB). 7) Arbejdsvandsdybde ≥ 500m. 8) Dimensioner ≤ 350 mm × 150 mm × 250 mm. 9) Masse ≤ 10 kg. Blandt dem er ROV en lille detektionsstruktur, og dens bæreevne er begrænset, så transduceren skal være så lille som muligt, let i vægt og let at implementere under forudsætning af at opfylde ydeevneindikatorer.

 

2 Transducer design og udvikling

 

2.1 Transducerdesign og simuleringsanalyse

De undervands cylinderisk transducer tilhører en separat struktur for modtagelse og transmission. Sendeenden realiseres ved at bruge tre sammensatte stangstrukturtransducere, og de tilsvarende frekvensbånd er 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz, 45 ~ 100kHz; den modtagende ende er realiseret ved at bruge 2 piezoelektriske keramiske ringserier hydrofoner, og frekvensbåndene er henholdsvis 1-40kHz, 40-100kHz. Den ovennævnte sende- og modtagetransducerbase er pakket som en helhed, og en antiakustisk baffel er designet indvendigt. Efter at pakken er integreret, er den samlede masse omkring 9 kg. Transducerens overordnede form er en uregelmæssig kuboid. Grundstørrelsen er omkring 310 mm × 150 mm × 220 mm. Udseendet er vist i figur 1. Hovedkablet kan tilsluttes eksternt ekkolods elektronisk udstyr i form af stik.

 

Med henblik på de vigtigste tekniske indekskrav til den akustiske undervandstransducer i denne artikel, kombineret med ovenstående designskema, udføres simuleringsanalyse af dens sende- og modtageydeevne. På grund af den komplekse struktur af transduceren designet i dette papir og den brede frekvensbåndsdækning er teoretiske analysemetoder ikke egnede til beregning og simulering. Som vi alle ved, er den endelige elementmetode en numerisk simuleringsmetode, der er meget udbredt i den nuværende ingeniørpraksis. Brug ANSYS software til at simulere et frit felt vandområde og etablere en forenklet model af transduceren. Vælg et punkt i fjernfeltsenheden direkte foran frontdækslet for at beregne lydtrykket, og derefter kan transducerens sendespændingsrespons konverteres. I fjernfeltsenheden skal du vælge lydtrykket i hver retning i en vis afstand langs midten af ​​transduceren for at beregne den åbne vinkel for transducerens emissionsdirektivitet. Da den sammensatte stangtransducer har aksial symmetri, vælges en 2D aksesymmetrisk transducer finite element model til finite element analyse. Ved brug af ANSYS-beregning er det nødvendigt at overveje vands indflydelse på transduceren. Normalt er den tilsvarende effekt en vandpolo, og derefter påføres belastningen for at beregne løsningen. Modellen af ​​transduceren i vandet er vist i figur 2 og 3.

 

Det kan ses af figur 2 og 3, at de transmitterende transducere er designet med dobbeltresonans spidsbredbånd. Resonansfrekvenserne for 3~18kHz-enheden i den transducerende transducer er 5kHz, 14kHz, og resonansfrekvenserne for enheden på 18~45kHz er 20kHz, 40kHz, og resonansfrekvenserne på 45~100kHz. 1-40kHz-enheden i den modtagende hydrofon bruger en piezoelektrisk ring, og enkeltringsresonansfrekvensen er større end 40kHz for at sikre et fladt arbejdsfrekvensbånd. Den interne to-serier og to-parallelle struktur forbedrer følsomhed og stabilitet; 40-100kHz-enheden på den modtagende hydrofon bruger piezoelektrisk kompositmateriale, resonansfrekvensen er større end 100kHz for at sikre fladhed i båndet. I dette papir bruges den endelige element-ligning som MU ¨ + CU · +KU = F (1) hvor: M er massematrixen; C er dæmpningsmatrixen; K er stivhedsmatrixen; U er nodalforskydningsvektoren; F er belastningsvektoren. Emissionsspændingsresponsniveauet TVR er TVR = 20 lg p RV + 120 (2) hvor: p er nodens lydtryk; R er afstanden fra noden til lydkildens ækvivalente centrum; V er den påførte spænding. Udtræk lydtrykket p for noden på den akustiske akse i ANSYS, og beregn emissionsresponskurven for transduceren. I det faktiske design er den transmitterende del af den akustiske undervandstransducer sammensat af tre slags kompositstangstransducere, som realiserer bredbåndsretningsbestemt emission og undertrykker den bageste stråling på samme tid. Den transmitterende transducer dækker et bredt frekvensområde og bruges hovedsageligt til akustisk undervandsmåling. Det skal have en god fladhed i båndet for at sikre nøjagtigheden af ​​akustisk undervandsmåling. Inden for teknik anvendes ofte metoder som optimering af størrelsen af ​​transducerens udstrålingshoved eller styring af faseoptimeringen for at reducere udsvingene i båndet og seriemodstanden på den piezoelektriske keramiske stak før og efter dual-resonance (eller 'dual excitation') emissionstransduceren. , For yderligere at reducere fluktuationen af ​​transducerens sendespændingsrespons i arbejdsfrekvensbåndet. Dette papir overvejer størrelsen og kvaliteten af ​​transduceren, der er monteret på den lille ROM, såvel som den overordnede installationsstruktur, og vedtager hovedsageligt litteraturmetoden for at undertrykke den transmitterende transducers in-band fluktuation, det vil sige metoden til at justere modstanden af ​​den matchende modstand. Hvis man antager, at seriemodstanden for de forreste og bagerste piezoelektriske keramiske stakke inde i den transmitterende transducer er henholdsvis R1 og R2, justeres modstandsværdierne for R1 og R2 for at kontrollere planheden af ​​den transmitterende transducer i båndet. Gennem finite element-analyse simuleres den transmitterende transducers emissionsrespons under forskellige modstandsværdier. Tager man den konstruerede 18~45kHz dobbeltresonans transducer som et eksempel, viser simuleringsanalysen, at senderesponsen varierer med modstandsværdikurven som vist i figur 4. Det kan ses af figuren, at justering af R1 og R2 dybest set kan styre planheden i frekvensbåndet på den transducerende transducer. Ved at optimere modstandene R1 og R2 kan det konkluderes, at når R1=940 Ω , R2=330 Ω , har den bedre fladhed i båndet. (vist med den stiplede linje i figur 4), og den samlede emissionsreaktion i båndet ændrer sig ikke meget,

 

Den kan opfylde designkravene, kombineret med den faktiske fysiske størrelse og bredbåndsimpedanstilpasning, omfattende simulering kan få 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz og 45 ~ 100kHz transmitter spændingsrespons simuleringsresultater, som vist i figur 5-7. Det kan ses af fig. 5-7, at transducerens transmitterspændingsrespons ikke er mindre end 140dB i frekvensbåndet, hvilket opfylder kravene til designindgangsrelaterede tekniske indikatorer, og kan give et større lydkildeniveau til akustisk langdistancedetektion under vand.

Den modtagende del af den hydroakustiske transducer er realiseret ved kombinationen af ​​to sæt hydrofonarrays, som hver anvender en serie- og parallelforbindelse af piezoelektriske keramiske ringe for at opnå retningsbestemt modtagelse. Blandt dem er 1-40kHz frekvensbåndshydrofonen lavet i form af to piezoelektriske keramiske ringe forbundet i serie. Følsomheden af ​​en enkelt hydrofon er ikke mindre end -193dB, og følsomheden af ​​hydrofonen efter serieforbindelse er ikke mindre end -178dB. Følsomhedssimuleringsanalyseresultaterne er vist i figur 8. Hydrofonen har ingen horisontal retningsbestemmelse (baffel-justerbar retningsbestemmelse kan anvendes), og den lodrette retning på 3 kHz er omkring 130 ° . Simuleringsresultaterne er vist i figur 9. Den 40 kHz lodrette retning er omkring 73 ° , og simuleringsresultaterne er vist i figuren 

 

 

11. Den modtagende del af hydrofonen i 40~100kHz frekvensbåndet vedtager to piezoelektriske keramiske ringseriestrukturer. Arbejdsfrekvensen kan opfylde brugen af ​​40 ~ 100kHz, men følsomheden er lav. Efter serieforbindelsen er hydrofonens følsomhed ikke mindre end -180dB. Følsomhedssimuleringsresultaterne er som følger Som vist i figur 11. Hydrofonens niveau har ingen retningsbestemmelse (en skærm kan anvendes til at justere retningsbestemmelsen), og den lodrette retning ved 100 kHz er omkring 77 ° . Simuleringsresultaterne er vist i figur 12

Ifølge simuleringsanalysen baseret på finite element-metoden kan den kombinerede transducer, der er designet i dette papir, opfylde designinputkravene med hensyn til transmission og modtagelse, og de vigtigste tekniske indikatorer er opfyldt.

 

 2.2 Transducerudvikling

Bredbåndet tilsammen sfærisk akustisk undervandstransducer er installeret på en lille ROM til brug. På basis af at imødekomme behovene for akustisk bredbåndsdetektion fokuserer den på lille størrelse og letvægtsdesign. I dette papir, kombineret med det overordnede strukturdesign af en lille ROM, er den endeligt udviklede transducer vist i figur 13. Den specifikke designstruktur er vist i figur 14. Den bredbånds kombinerede akustiske undervandstransducer designet og udviklet i dette papir dækker sendefrekvensområdet på 3~100kHz, modtageren er 1~10 frekvensbåndet i alt, det samlede fysiske frekvensbånd af 1~10 kHz objektet. 9,4 kg (i luften, inklusive beslaget og forbindelseskablet), størrelsen er 328,5 mm × 140 mm × 240 mm, hvilket er mindre end størrelses- og kvalitetskravene i designinputtet, hvilket reducerer kravene til ROM-bærekapacitet. Transduceren matches og installeres på ROM-kroppen, og det faktiske objekt efter installationen er vist i figur 15. Simuleringsanalyseresultaterne kan bruges som designreferenceinput, men i den efterfølgende faktiske udviklings- og fejlretningsproces skal den justeres i henhold til den faktiske målesituation for at opfylde de faktiske brugskrav.

 

3 Eksperimentel test

Den transmitterende del af den bredbånds kombinerede akustiske undervandstransducer anvender 3 lodrette enheder for at danne et arbejdsfrekvensbånd, der dækker 3~100kHz, og den modtagende del vedtager 2 uafhængige enheder for at danne et arbejdsfrekvensbånd, der dækker 1~100kHz. Det overordnede layout med at sende i begge ender og modtage i midten er vedtaget for at sikre transducerens åbningsvinkel. En anti-akustisk baffel er designet inde i transduceren for at reducere den interne refleksion og overlejring af det akustiske signal. Samtidig er en justerbar støttemekanisme vedtaget i den modtagende del, og højden af ​​den modtagende transducer justeres begrænset i henhold til den faktiske testsituation for yderligere at udvide den modtagende åbningsvinkel for at undgå okklusion og reflektion af transducerskallen og ROV-kroppen. Efter at udviklingen er afsluttet, for yderligere at opnå transducerens faktiske arbejdsydelse, som er forskellig fra den uafhængige transceiver-testmetode, der normalt anvendes i laboratoriet, bruges den overordnede akustiske ydeevneindekstest af transduceren her. Det vil sige, efter at det hele er installeret på ROV'en, udføres tanktesten af ​​transduceren under simulering af faktiske arbejdsforhold for yderligere at bekræfte, at transduceren er installeret på ROV'en og påvirkes af ROV-strukturen for at opnå den faktiske arbejdstilstand for transduceren. Reelle præstationsparametre. En omfattende test blev udført i en lydløs pulje for at verificere realiseringen af ​​dens præstationsindikatorer. Testbetingelserne for det lydløse vandbassin. den omgivende rumtemperatur er 25 ℃ , testkabellængden er 3 m, vanddybden er 3 m, den omgivende vandtemperatur er 20 ℃ , isolationsmodstanden er 500 M Ω , den statiske kapacitans er 51.000 pF, og testafstanden er 6,2 m. De faktiske måleresultater er vist i figur 16

 

 

ROV'en bruges til at montere en bredbånds kombineret akustisk undervandstransducer for at udføre bredbåndsundervands-akustisk detektering af et overfladeskibs vågnebobler og opnå de relevante akustiske egenskaber for kølvandsboblerne og den fysiske størrelse af kølvandet. I den specifikke søtest blev overfladeskibet brugt til at lave højhastigheds-direkte navigation på vandoverfladen. Skibet var 7,5 m langt, 3 m bredt og havde en dybgang på 0,35 m. Propellen på den eksterne motor var 0,8 m under vandet. Testvandsområdet er et åbent område af en sø, områdets gennemsnitlige dybde er 35m, og skibets hastighed er 10 knob ved passage af målepunktet. ROV'en er udstyret med en bredbånds kombineret akustisk undervandstransducer i denne artikel til kontinuerlig måling. Ved gentagne målinger bruges forskellige akustiske frekvenskombinationer til detektion, og måleresultaterne af wake-boble distribution opnås, som vist i figur

 

 

Det kan ses af figur 18, at den faktiske måling af skibsvågeboblestørrelsen er koncentreret i den høje tæthed på 10-20 μm . Måleresultatet stemmer overens med den højeste bobletæthed i kølvandet givet af litteraturen med en radius på 10-20 μm , hvilket beviser, at transduceren .Enheden opfylder testkravene i det faktiske arbejdsmiljø. Samtidig bruges transduceren til kontinuerligt at måle det wake-boble-lag, der dannes efter overfladeskibets sejl, og i henhold til den opnåede wake-boble akustiske målintensitetsinformation, kombineret med det aktuelle undervands akustiske miljø (såsom lydhastighed, vanddybde osv.) og tidligere data (såsom transducerfølsomhed, emissionslydkildeniveau, estimeret kredsløbsforstærkning, etc.), estimeret proces, kredsløbsforstærkning, etc.). opnået boblestyrkekurven med dybde og tid som vist i figur 19. Det kan ses af figur 19, at vågeboblens varighed er omkring 173 s, og den faktiske målende midterste kølvandsbobletykkelse er 1,46 m, hvilket grundlæggende stemmer overens med den empiriske formel givet af den konventionelle kølvandsberegningsformel. Sammenfattende viser måleresultaterne gennem den overordnede måletest i den ekkofri pool, at transducerens faktiske ydeevne grundlæggende stemmer overens med simuleringsresultaterne. Den er installeret på ROV-platformen og verificeret af den faktiske navigationstest på søen. Testresultaterne viser, at transduceren dækker et bredt frekvensbånd, har en lille struktur, og måleresultaterne er grundlæggende i overensstemmelse med empiriske formler. Måledataene er troværdige og kan opfylde kravene til overfladeskibs vågebobler.

 

 4 Konklusion

 

 Dette papir foreslår en kombineret integreret transducerdesignmetode med et lavfrekvent til højfrekvent bredbåndsdriftsfrekvensbånd, som er kendetegnet ved, at sendeenden kan dække 3~100kHz, modtageenden dækker 1~100kHz, og åbningsvinklen er ikke mindre end 70 ° ; Vedtagelse af et separat transceiver-layout, sender i begge ender, modtagelse koncentreret i midten, intern akustisk baffelstrukturdesign; transducerens interne komponenter er integreret og udsendes gennem et vandtæt stik, hvilket reducerer kompleksiteten af ​​eksterne forbindelser; Gennem transducerens midterstøttestruktur kan transducerens overordnede tyngdepunkt justeres, hvilket er praktisk til tilpasning og installation af små undervandsfartøjer såsom ROV; transducerens åbne layout, den mekaniske lastbærende gennem metalstøtten, reducerer hele transduceren. Enhedens kvalitet og størrelse forbedrer pasformen. Denne transducer har fordelene ved et bredt arbejdsfrekvensbånd, større åbningsvinkel og lettere vægt under begrænsningen af ​​lille størrelse. Det er med succes blevet anvendt på en lille ROM, som løser problemet med ultrabredbånds-undervands-akustisk test på en lille ROM-platform. Har høj militær og civil værdi.