Design af køre- og modtagekredsløb baseret på akustisk undervandstransducer

Startende fra behovene for militær ubådskommunikation og civil undervandskommunikation, en enkelt-retningsplan hydroakustisk undervandstransducer med en resonansfrekvens på 150 kHz blev fremstillet, og transducerens sender- og modtagerdrivkredsløb blev designet ud fra princippet om punkt-til-punkt kommunikation. Den akustiske undervandstransducer placeres i vandområdet og forbindes til kredsløbet for at realisere langdistance-undervandskommunikationsfunktionen. Kredsløbet blev testet på en selvdesignet eksperimentel platform. Testresultaterne viser, at den fremstillede transducer har højere emissionsspændingsrespons og følsomhed, enkelt retningsbestemmelse, og det akustiske undervandskommunikationskredsløb har justerbar frekvens, og kommunikationen er klar og stabil. Det akustiske undervandskommunikationskredsløb kan bruges til militær og civil kommunikation og er let at flytte og bære og let at fejlfinde. På grund af havvands absorption af elektromagnetiske bølger, lysbølger og andre energiformer og eksistensen af ​​dybhavs 'konvergenszoner', er lydbølger i øjeblikket den eneste kendte energiform, der kan transmittere signaler trådløst over lange afstande under vandet. Lydbølger med en vibrationsfrekvens over 20 kHz kaldes ultralydsbølger. Sammenlignet med almindelige lydbølger har ultralydsbølger bedre retningsbestemmelse, stærkere gennemtrængende kraft og bedre reflektionsydelse. Derfor er de meget udbredt inden for informationstransmission, skadesdetektion, afstandstest og medicinske og sundhedsmæssige områder. Men i udbredelsesprocessen stiger energitabet af lydbølgen i vandkanalen med frekvensstigningen, så vandkanalens tilgængelige båndbredde er smal og informationskapaciteten lille. Derfor spiller ydeevnen af ​​det sende- og modtagende drivkredsløb en afgørende rolle for kvaliteten af ​​akustisk undervandskommunikation. I det sidste århundrede udviklede US Harris Acoustic Products Company, Frankrig og Det Forenede Kongerige hydroakustiske kommunikatorer, der er egnede til undervandsskibskommunikation. De brugte enkeltsidebåndsmodulation og brugte hydrofoner med stor volumen som 'vinduet' til signaltransmission og -modtagelse. , For at opnå en vis afstand af undervandskommunikation, men udstyret er komplekst, transduceren er stor, og retningsbestemmelsen er ikke skarp nok, ikke egnet til civil brug; Samlet til et analogt kommunikationssystem baseret på Linux-signalbehandlingssoftware, på kanalsimulatoren realiseres Langdistancekommunikation, men den ideelle designkanal er forskellig fra den faktiske vandkanal; andre har bygget et undervandskommunikationssystem baseret på parallelt kombineret kortlægningssekvens spredt spektrum, ved hjælp af DSP-chip som informationsbehandlingsmodul, og dermed realiseret undervands skjult, højhastighedstransmission af information mellem platforme. Imidlertid bruges 555 timeren traditionelt til at generere en bærebølge med en specifik vibrationsfrekvens til at drive transducerens drivkredsløb, og den genererede bølgeforms frekvensstabilitet er relativt dårlig; og den nyligt fremkommende DSP-chipbehandlingsteknologi har komplekse algoritmer og skal udføres for forskellige farvande. Den komplicerede beregningsmodifikation og kompensation er ikke egnet til storstilet forfremmelse på det civile område. Derudover er sonderne, der anvendes i kommunikationskredsløbets signaltransceiverenheder, der er blevet udviklet, ikke skarpe nok, strømmen er ikke koncentreret, og båndbredden er relativt smal, hvilket ikke er befordrende for signaltransmission og -modtagelse. De fleste ultralydstransceivere er dog ikke egnede til vandkanaldrift og kan ikke opfylde faktiske civile og militære behov.

 

1) Baseret på et lille volumen ensrettet akustisk undervandstransducer , dette papir bruger dobbeltsidebåndsmodulation og kohærente demodulationsmetoder til at udvikle et sende- og modtagedrevkredsløb, der er egnet til undervandskommunikation. Det akustiske undervandskommunikationskredsløb har højfrekvensbåndsudnyttelse og frekvensjusterbar, velegnet til 0 kHz ~ 12. 5 MHz frekvensområdetransduceren har en kommunikationsafstand på op til 100 meter. Sende- og drivkredsløbet, modtage- og drivkredsløbet og sendetransduceren og hydrofonen i kredsløbet danner sammen et sæt hydroakustiske kommunikationssystem. Systemet bruger senderen og hydrofonen som 'vinduet' til signaludveksling, bruger STM32F103RCT6 og AD9833 som bæresignalkilde og kombinerer de relevante modemkomponenter for endelig at opnå stabil og klar kommunikation.

 

1 Transducer produktion

 

Det 1-3 piezoelektriske kompositmateriale refererer til et materiale dannet af endimensionelle forbundne piezoelektriske keramiske søjler anbragt parallelt i en tredimensional forbundet polymer. Sammenlignet med rene keramiske piezoelektriske materialer 1-3 piezoelektriske kompositmaterialer, har det bedre effekter i skadedetektering og produktion af transducerende og modtagende transducere. Derfor anvender det akustiske bølgetransceiver-modul i dette system en plan ultralydstransducer lavet af 1-3 piezoelektriske kompositmaterialer udviklet i laboratoriet, som er sammensat af et 1-3 piezoelektrisk komposit plant følsomt element, et vandtæt lydgennemtrængeligt lag, en elektrodeledning og et stivt skum og metal af høj kvalitet. Før du fremstiller transduceren, er det nødvendigt at bruge ANSYS finite element simuleringssoftware til modelarkitektur og simuleringsberegning.

 

Simulering af 1-3 piezoelektrisk kompositsensor

 

I ANSYS finite element simuleringssoftware skal du først indstille enhedstype, tæthed, Poissons forhold og Youngs modul for epoxyharpiksen, og indstille tæthed, stivhedsmatrix, dielektrisk konstant matrix og piezoelektrisk matrix for den piezoelektriske keramik. For det andet skal du indstille strukturen af ​​den 1-3 piezoelektriske kompositmaterialemodel: et plan med en længde på 100 mm, en bredde på 100 mm og en tykkelse på 10 mm, hvor bredden af ​​polymerfasen er 0, 28 mm, bredden af ​​den piezoelektriske keramiske søjle er 4 mm, højden er 4 mm 1. På denne måde er volumenfraktionen af ​​den PZT piezoelektriske keramiske lille søjle i kompositmaterialet 51,84%. Da modellen af ​​1-3 kompositmaterialet indeholder tofasede materialer, er beregningsmængden stor, når simuleringsberegningen udføres. For at reducere beregningsmængden vælges en enhed af det 1-3 piezoelektriske kompositmateriale til simuleringsberegningen. Strukturdiagrammet for den 1-3 piezoelektriske kompositmaterialemodel og det tredimensionelle diagram af den piezoelektriske keramiske søjle er som følger:

1-3 type piezoelektriske kompositmateriale elementer er maskede, og symmetrigrænsebetingelser tilføjes til grænsen omkring Z-aksen (længde) af elementet, og 1 V spænding tilføjes til den øvre overflade af den piezoelektriske keramik i positiv retning af Z-aksen, Z = 0 V Tilføj en spænding af bunden frekvensen analyse og frekvensen 0S. analyseområde (50 ~ 250 kHz) og antallet af trin), og derefter løse og efterbehandle, er det opnåede adgangsdiagram vist i figur 2. Det kan ses af figur 2, at transduceren opfylder frekvenskravene, og de følsomme komponenter kan laves i henhold til de indstillede parametre.

 

Den piezoelektriske kompositsensor af typen 1-3 er lavet af piezoelektriske keramiske blokke med en længde på 100 mm, en bredde på 100 mm og en tykkelse på 10 mm. Skær i længde- og bredderetningerne i henhold til modeldesignet, og injicer derefter epoxyharpiks 618. Efter at have stået i 24 timer udføres den samme skæring på bagsiden for at polere overskydende epoxyharpiks af i tykkelsesretningen for at lave en 1-3 type. Piezoelektrisk kompositmateriale. Brug alkohol til at rense overfladen af ​​kompositmaterialet, og påfør sølvpasta for at kompensere for elektroden, der blev ødelagt ved at polere epoxyharpiksen, og til sidst gøre det 1-3 piezoelektriske kompositmateriale følsomt element. Brug Agilent 4294A impedansanalysator til at teste de følsomme komponenter. Testresultaterne viser, at båndbredden af ​​den piezoelektriske kompositmaterialesensor af typen 1-3 er 1, når resonansfrekvensen er 151 kHz. 71 kHz, den akustiske impedans er 17. 47 Pa·s/m3, ledningsevneværdien er 104. 6 mS, den elektromekaniske koblingskoefficient er 0. 68. Den mekaniske kvalitetsfaktor er 88. 18. Testresultatet af det følsomme materiale er godt.

 

1.3 Fremstilling af højfrekvent ensrettet plan undervands hydro-akustisk transducer Tilføj grafit til polyurethanen, hvis hovedkomponent er epoxyharpiks, og rør for at lave det nødvendige vandtætte lydgennemtrængelige lag, og lav formen i henhold til størrelsen på transduceren til udhældning og forsegling, og lav endelig en højfrekvent ensrettet plan undervands akustisk transducer.

 

1. 4 Transducers ydeevnetest

Test af transducerens ydeevne omfatter hovedsageligt måling af dens transmissionsspændingsrespons, modtagefølsomhed og retningsbestemt ydeevne. Måling af retningsvirkningen af ​​en transducer bruges normalt til at tegne dens retningsbestemmelsesmønster. Under målingen roteres transduceren under test for at opnå formålet med at måle transducerens senderespons eller modtage følsomhed med azimutvinklen, og derefter opnås transducerens retningsmønster efter konvertering

 

2 Kredsdesign

 

I betragtning af punkt-til-punkt kommunikationsmetoden og strømudnyttelseshastigheden, vedtager denne artikel dobbeltsidebånd (DSB) signalmodulation og kohærent demodulation. Modulationsprincippet er vist i ligning (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Demodulationsprincippet er vist i ligning (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Hvor: uDSB er det modulerede signal; uc(t) er det modulerede signal; uΩ (t) er bæresignalet. Den væsentlige funktion af DSB-modulationskredsløbet er en multiplikator, som bruger bæresignalet til at overføre informationen båret af basisbåndssignalet. Under demodulation multipliceres det modulerede signal med en bærebølge af samme frekvens og fase og passeres derefter gennem et båndpasfilter for at opnå det originale signal. Energikonverteringsenheden, der kræves til signaltransmission, anvender den plane ultralydstransducer lavet i denne artikel. Princippet for det sende- og modtagende drivkredsløbssystem er vist.

 

2. 1 Kredsmodul

STM32F103RC single-chip mikrocomputeren bruger Cortex-M3-kernen, og dens maksimale CPU-hastighed er 72 MHz. Sammenlignet med 51 og 52 model single-chip mikrocomputere er instruktionsudførelseshastigheden hurtigere, volumen er mindre, og integrationen er nem. AD9833 er et lavt strømforbrug,

programmerbart signalgenereringsmodul, som kan programmeres til at generere sinus-, firkant- og trekantbølger i et bestemt frekvensområde. FSYNC-porten på den er input-niveau-triggerporten, som fungerer som rammesynkronisering og aktiveringssignal. Når FSYNC er lav, kan data overføres. Derudover har AD9833 et 16-bit kontrolregister. Ved at programmere kontrolregisteret kan AD9833 fungere i den tilstand, som brugeren kræver. Brug af STM32F103RC model single-chip mikrocomputer til at styre AD9833 signalgenereringsmodul producerer mindre sinusbølgeforvrængning. Kredsløbet drives af TPS5430-switchende strømforsyningsmodul, som kan levere stabile 5 V og 12 V spændinger, hvilket undgår forvrængning og forsinkelse af signaltransmission.

 

Når det eksterne lydsignal kommer ind i drevkredsløbet, multipliceres det med 150 kHz sinusbølgen genereret af bærebølgegenereringsmodulet i multiplikator AD835-modulet (dobbeltsidebåndsmodulationstrin), og derefter filtrerer båndpasfilteret en del af støjen fra multiplikatorudgangssignalet. Det genererede signal forstærkes af effektforstærkeren og forbindes derefter med den transmitterende transducer, og til sidst sender den transducerende transducer signalet ud i vandet. Dobbeltsidebåndsmodulation kan flytte basisbåndssignalet til bærefrekvensen for at opnå multipleksing og forbedre kanaludnyttelsen; for det andet udvider det signalbåndbredden, forbedrer systemets anti-interferensevne og forbedrer signal-til-støj-forholdet. I dette drivkredsløb forstærker effektforstærkeren signalet for at drive transduceren til at fungere. Det eksterne lydsignal kan være musik, der ledes af øretelefonstikket på en elektronisk enhed, såsom en mobiltelefon, eller et signal, der konverteres og ledes af ekstern lyd gennem et mikrofonmodul.

 

2. 3 Modtage- og kørekredsløb

Efter at den transmitterende transducer har transmitteret lydbølgesignalet til vandkanalen, kræves et tilsvarende modtagende drivkredsløb for at modtage signalet i vandkanalen og genskabe det oprindelige modulerede signal. Arbejdsprincippet for det modtagende drevkredsløb designet i denne artikel. Efter at det modtagende drivkredsløb har modtaget signalet i kanalen, sendes det til højpasfilteret gennem højfrekvenstråden, og støjen, der genereres af kredsløbet og blandes i kanalen, fjernes. Derefter multipliceres dette signal og 150 kHz sinusbølge i multiplikatoren AD835-modulet. Udgangen af ​​multiplikatoroperationen transmitteres til båndpasfilteret gennem det koaksiale højfrekvenskabel, og signalet i det nødvendige frekvensområde vælges (kohærent demodulationstrin). Til sidst bruges effektforstærkermodulet TDA2030A til at drive højttalermodulet, og det demodulerede signal afspilles i form af lyd. I dette system skal både det transmitterende drevkredsløb og det modtagende drevkredsløb bruge det spændingsstabiliserende modul TPS5430 for at sikre en stabil og stabil drift af spændingen for hvert modul, og filtrene er alle 4.-ordens aktive filtre. Bærebølgerne, der bruges i modulerings- og demodulationsprocessen, er alle af samme frekvens, som genereres af det aktive AD9833-modul efter at være blevet programmeret af STM32F103RC-mikrocontrolleren.

 

3 Eksperimentel verifikation

3. 1 Hydroakustisk kommunikationsverifikation

For at verificere funktionen af ​​dette system blev der udført en akustisk kommunikationstest under vand i en sø med en radius på ca. 100 m. Send sendertransduceren og modtagertransduceren

Modtagerne er henholdsvis placeret på de to sider af søen i diameterretningen, henholdsvis forbundet med det sendende drivkredsløb og det modtagende drivkredsløb. Da frekvensen af ​​menneskelig stemme generelt er i området 8-10 kHz, inklusive mange overtonekomponenter, vælges lydsignalet for en sang tilfældigt som modulationssignalet. Signalet vises af et oscilloskop, det originale lydmodulationssignal er vist i figur 7(a), og 150 kHz-bæresignalet udsendt af AD9833 er vist i figur 7(b)

Bærebølgesignalet og lydmodulationssignalet er input til multiplikatoren for at udføre foreløbig modulation. Efter at være blevet målt med et oscilloskop, er udgangssignalet fra multiplikatoren vist i figur 8.

Ifølge frekvensvisningen i figur 8 overholder den dobbeltsidebåndsmodulationsloven. Multiplikatorens udgangssignal indlæses i effektforstærkeren gennem koaksialkablet, og signalets effekt øges i et mindre forvrængningsområde for at drive transduceren til at udsende signalet. Send transducerinput vist med oscilloskop. Signalet er vist i figur 9.

Det kan iagttages i figur 9, at graten er forsvundet, det vil sige, at støjen genereret af kredsløbet er blevet filtreret fra. Den modtagende transducer, det vil sige hydrofonen, modtager signalet fra kanalen som vist i figur 10.

Signalet modtaget af hydrofonen indeholder lydsignaler, støj og en del af det overlejrede signal forårsaget af flervejseffekten i kanalen, hvilket resulterer i fejl og overlapninger i nogle signalbølgeformer. Efter at det modtagne signal er filtreret af et højpasfilter for at fjerne lavfrekvent støj og overlejrede signaler, demoduleres det med en 150 kHz sinusbølge i et system bestående af en multiplikator og et båndpasfilter for at genoprette det originale basisbåndssignal, og højttaleren drives af effektforstærkermodulet TDA2030A. Det originale lydsignal udsendes uden forvrængning. Det udsendte lydsignal er det originale musiksignal. Lydsignalet gendannet af det modtagende drivkredsløb er vist i den nederste bølgeform i figur 11.

Figur 11 viser en sammenligning af de to bølgeformer. Den øverste del viser signalet modtaget af hydrofonen, og den nederste del er den genoprettede lydsignalbølgeform. Lydgendannelseseffekten er god. Bølgeformerne for det originale lydsignal og det gendannede lydsignal sammenlignes og sammenlignes med den originale lyd og den faktiske lydkvalitet. Resultatet viser, at systemet kan drive en 150 kHz højfrekvent ensrettet plan hydroakustisk transducer. Lydsignalet kan transmitteres med høj kvalitet, og lyden i udsendelsesenden er klar og stabil.

 

3. 2 Verifikation af frekvensjustering

Efter at have verificeret, at systemet og den matchede transducer fungerer og fungerer normalt, udføres et andet eksperiment for at verificere justerbarheden af ​​systemets frekvens. Programmer signalgenereringsmodulet til at modificere det, så det passer til 300 kHz-transduceren fremstillet i laboratoriet. Test signaltransmissionseffekten. Audiomodulationssignalet er vist i fig. 12(a), og det nyligt genoprettede audiosignal er vist i fig. 12(b).

Signalbølgeformen detekteret af oscilloskopet repræsenterer det transmitterede lydsignal. I figur 12(b) er den øvre del det signal, der modtages af hydrofonen, og den nederste del er den genoprettede lydsignalbølgeform. Ved at sammenligne og analysere systemets input- og outputlydsignaler kan det ses, at systemet kan transmittere lydsignaler med høj kvalitet, det vil sige, at systemet kan tilpasse sig signaler med forskellige resonansfrekvenser inden for et bestemt frekvensområde.

 

3. Performance indeks analyse

Først og fremmest, under betingelsen af ​​højfrekvent nøjagtig transmission af information, er udbredelsesafstanden for dette system mere end 100 m ved 150 kHz, hvilket langt overstiger den akustiske undervandskommunikationsafstand på mindre end 100 meter opnået af mange undervandskommunikationssystemer på bekostning af signaltransmissionskvaliteten. For det andet, med hensyn til ydelsen af ​​transmissionsinformationsbåndbredden, sammenlignet med mange akustiske undervandskommunikationssystemer med en båndbredde på omkring 200 Hz på markedet, kan transmissionsbåndbredden for dette system nå 1,71 kHz, hvilket stort set undgår forvrængning af lydsignaler under kommunikation. Endelig, med hensyn til kvaliteten af ​​stemmekommunikation, bruges klarheden af ​​stemmeudsendelsen ved den sidste modtagende ende som målestandard. Sammenlignet med mange civile vandtalekommunikationsudstyr med stor støj og uklare signaler er systemet testet under de samme søforhold. Lyden er klar og stabil.

 

4 Konklusion

Denne artikel designer et sæt akustiske undervandskommunikationskredsløb baseret på den praktiske anvendelse af punkt-til-punkt kommunikation og akustisk undervandskommunikation. Først og fremmest, baseret på de relevante teorier om transducerdesign og laboratoriets resultater, simuleres transducerens struktur af ANSYS finite element simuleringssoftware, og metoden til skæring og fyldning udføres ved at bruge det højtydende følsomme materiale PZT5-A som det piezoelektriske Keramiske funktionsmateriale fase, epoxy harpiks 6, epoxy er spalte 6. ensrettet 1-3 type piezoelektrisk komposit hydroakustisk plan transducer. Derefter blev den fremstillede transducer brugt i kommunikationssystemet, og et akustisk undervandskommunikationskredsløb med stabil struktur og klar kommunikation blev udviklet. Dette kredsløb kan realisere effektiv undervandskommunikation, og på grund af udformningen af ​​modulerings- og demodulationskredsløbet og den justerbare frekvens af bæresignalet, kan kredsløbet også matches med ultralydssonden for at realisere funktionerne til langdistancefejldetektion og afstandsmåling.