Vedenalaiseen akustiseen anturiin perustuvan ajo- ja vastaanottopiirin suunnittelu

Alkaen sotilaallisen sukellusveneviestinnän ja siviili-vedenalaisen viestinnän tarpeista, yksisuuntainen taso Valmistettiin vedenalainen hydroakustinen muunnin resonanssitaajuudella 150 kHz ja muuntimen lähettimen ja vastaanottimen ohjauspiirit suunniteltiin point-to-point-viestinnän periaatteella. Vedenalainen akustinen anturi sijoitetaan vesialueelle ja liitetään piiriin pitkän matkan vedenalaisen viestintätoiminnon toteuttamiseksi. Piiri testattiin itse suunnitellulla kokeellisella alustalla. Testitulokset osoittavat, että valmistetulla anturilla on korkeampi emissiojännitevaste ja -herkkyys, yksisuuntaisuus ja vedenalaisessa akustisessa viestintäpiirissä on säädettävä taajuus ja tiedonsiirto on selkeää ja vakaata. Vedenalaista akustista viestintäpiiriä voidaan käyttää sotilas- ja siviiliviestintään, ja se on helppo siirtää ja kantaa sekä helppo debug. Sähkömagneettisten aaltojen, valoaaltojen ja muiden energiamuotojen imeytymisen meriveteen ja syvänmeren 'konvergenssivyöhykkeiden' vuoksi ääniaallot ovat tällä hetkellä ainoa tunnettu energiamuoto, joka voi lähettää signaaleja langattomasti pitkiä matkoja veden alla. Ääniaaltoja, joiden värähtelytaajuus on yli 20 kHz, kutsutaan ultraääniaalloiksi. Tavallisiin ääniaaltoihin verrattuna ultraääniaalloilla on parempi suuntaavuus, vahvempi läpäisykyky ja parempi heijastuskyky. Siksi niitä käytetään laajasti tiedonsiirrossa, vaurioiden havaitsemisessa, etätestauksessa sekä lääketieteen ja terveydenhuollon aloilla. Mutta etenemisprosessissa ääniaallon energiahäviö vesikanavassa kasvaa taajuuden kasvaessa, joten vesikanavan käytettävissä oleva kaistanleveys on kapea ja informaatiokapasiteetti pieni. Siksi lähettävän ja vastaanottavan käyttöpiirin suorituskyvyllä on tärkeä rooli vedenalaisen akustisen viestinnän laadussa. Viime vuosisadalla yhdysvaltalainen Harris Acoustic Products Company, Ranska ja Iso-Britannia kehittivät hydroakustisia kommunikaattoreita, jotka soveltuvat vedenalaiseen laivaviestintään. He käyttivät yksisivukaistamodulaatiota ja suuren volyymin hydrofoneja 'ikkunana' signaalin lähettämiseen ja vastaanottoon. , Tietyn etäisyyden saavuttamiseksi vedenalaisessa viestinnässä, mutta laitteisto on monimutkainen, anturi on suuri ja suuntaus ei ole tarpeeksi terävä, ei sovellu siviilikäyttöön; Analogiseksi Linux-signaalinkäsittelyohjelmistoon pohjautuvaksi viestintäjärjestelmäksi koottuna kanavasimulaattorilla Toteutetaan pitkän matkan viestintä, mutta ihanteellinen suunnittelukanava eroaa varsinaisesta vesikanavasta; toiset ovat rakentaneet vedenalaisen viestintäjärjestelmän, joka perustuu rinnakkaiseen yhdistettyyn kartoitussekvenssin hajaspektriin, käyttämällä DSP-sirua tiedonkäsittelymoduulina, mikä toteuttaa vedenalaisen piilotetun, nopean tiedonsiirron alustojen välillä. Kuitenkin 555-ajastinta käytetään perinteisesti generoimaan kantoaalto tietyllä värähtelytaajuudella ohjaamaan muuntimen käyttöpiiriä, ja generoidun aaltomuodon taajuuden stabiilisuus on suhteellisen huono; ja äskettäin syntyvällä DSP-sirunkäsittelytekniikalla on monimutkaiset algoritmit ja se on suoritettava eri vesille. Monimutkainen laskennan muutos ja kompensointi eivät sovellu laajamittaiseen edistämiseen siviilialalla. Lisäksi kehitetyissä viestintäpiirin signaalilähetin-vastaanotinlaitteissa käytetyt anturit eivät ole riittävän teräviä, tehoa ei ole keskitetty ja kaistanleveys on suhteellisen kapea, mikä ei edistä signaalin lähetystä ja vastaanottoa. Useimmat ultraäänilähetin-vastaanottimet eivät kuitenkaan sovellu vesikanavien toimintaan eivätkä pysty vastaamaan todellisiin siviili- ja sotilastarpeisiin.

 

1) Perustuu pieneen määrään yksisuuntainen vedenalainen akustinen muunnin , tämä paperi käyttää kaksisivukaistamodulaatiota ja koherenttia demodulaatiomenetelmiä vedenalaiseen viestintään sopivan lähetys- ja vastaanottopiirin kehittämiseksi. Vedenalainen akustinen viestintäpiiri on korkean taajuuskaistan käyttö ja taajuus säädettävissä, sopii 0 kHz ~ 12. 5 MHz taajuusalueen anturin tiedonsiirtoetäisyys on jopa 100 metriä. Lähetys- ja ohjauspiiri, vastaanotto- ja ohjauspiiri sekä lähettävä muunnin ja hydrofoni piirissä muodostavat yhdessä joukon hydroakustista viestintäjärjestelmää. Järjestelmä käyttää lähetintä ja hydrofonia signaalinvaihdon 'ikkunana', käyttää STM32F103RCT6:ta ja AD9833:a kantoaaltosignaalilähteinä ja yhdistää asiaankuuluvat modeemikomponentit saavuttaakseen lopulta vakaan ja selkeän viestinnän.

 

1 Anturin tuotanto

 

1-3 pietsosähköinen komposiittimateriaali viittaa materiaaliin, joka muodostuu yksiulotteisista yhdistetyistä pietsosähköisistä keraamisista pylväistä, jotka on järjestetty rinnakkain kolmiulotteiseen yhdistettyyn polymeeriin. Verrattuna puhtaaseen keraamisiin pietsosähköisiin materiaaleihin 1-3 pietsosähköisiin komposiittimateriaaleihin, sillä on paremmat vaikutukset vaurioiden havaitsemiseen ja lähetys- ja vastaanottoantureiden valmistukseen. Siksi tämän järjestelmän akustisen aallon lähetin-vastaanotinmoduuli käyttää tasomaista ultraäänianturia, joka on valmistettu 1-3 pietsosähköisestä komposiittimateriaalista, joka on kehitetty laboratoriossa ja joka koostuu 1-3 pietsosähköisestä komposiittitasoherkästä elementistä, vedenpitävästä ääntä läpäisevästä kerroksesta, elektrodijohdosta ja jäykästä, korkealaatuisesta metallikuoresta. Ennen anturin valmistamista on tarpeen käyttää ANSYS elementtisimulaatioohjelmistoa malliarkkitehtuuriin ja simulaatiolaskentaan.

 

1-3 pietsosähköisen komposiittisensorin simulointi

 

Määritä ANSYS-elementtisimulointiohjelmistossa ensin epoksihartsin yksikkötyyppi, tiheys, Poissonin suhde ja Youngin moduuli sekä pietsosähköisen keramiikan tiheys, jäykkyysmatriisi, dielektrisyysvakiomatriisi ja pietsosähköinen matriisi. Toiseksi, aseta 1-3 pietsosähköisen komposiittimateriaalimallin rakenne: taso, jonka pituus on 100 mm, leveys 100 mm ja paksuus 10 mm, jossa polymeerifaasin leveys on 0,28 mm, pietsosähköisen keraamisen pylvään leveys on 1,44 mm, korkeus 10 mm. Tällä tavalla PZT-pietsosähköisen keraamisen pienen kolonnin tilavuusosuus komposiittimateriaalissa on 51,84 %. Koska 1-3 komposiittimateriaalin malli sisältää kaksivaiheisia materiaaleja, on laskentamäärä suuri, kun simulaatiolaskentaa suoritetaan. Laskentamäärän pienentämiseksi simulaatiolaskentaan valitaan yksi yksikkö 1-3 pietsosähköistä komposiittimateriaalia. 1-3 pietsosähköisen komposiittimateriaalimallin rakennekaavio ja pietsosähköisen keraamisen pylvään kolmiulotteinen kaavio ovat seuraavat:

1-3 tyyppistä pietsosähköistä komposiittimateriaalielementtiä verkotetaan ja elementin Z-akselin (pituus) ympärille lisätään symmetriarajaehdot ja pietsosähköisen keramiikan yläpintaan lisätään 1 V jännite Z-akselin positiivisessa suunnassa, Z = 0 Lisää 0 V jännite 0 V taajuusanalyysin pohjapintaan (5 valitse taajuusanalyysi 5 ja 0 valitse taajuusanalyysi 5 S. kHz) ja vaiheiden lukumäärä), ja sitten ratkaista ja jälkikäsitellä, saatu sisäänpääsykaavio on esitetty kuvassa 2. Kuvasta 2 näkyy, että anturi täyttää taajuusvaatimukset ja herkät komponentit voidaan valmistaa asetettujen parametrien mukaan.

 

1-3 tyyppinen pietsosähköinen komposiittianturi on valmistettu pietsosähköisistä keraamisista lohkoista, joiden pituus on 100 mm, leveys 100 mm ja paksuus 10 mm. Leikkaa pituus- ja leveyssuunnassa mallin mukaan ja ruiskuta sitten epoksihartsia 618. Seisottuasi 24 tuntia, suorita sama leikkaus kääntöpuolelle kiillottaaksesi ylimääräinen epoksihartsi paksuussuunnassa 1-3-tyypin muodostamiseksi. Pietsosähköinen komposiittimateriaali. Käytä alkoholia komposiittimateriaalin pinnan puhdistamiseen ja käytä hopeatahnaa kompensoimaan epoksihartsin kiillotuksessa tuhoutunutta elektrodia ja tee lopuksi 1-3 pietsosähköinen komposiittimateriaali herkkä elementti. Käytä Agilent 4294A impedanssianalysaattoria herkkien komponenttien testaamiseen. Testitulokset osoittavat, että 1-3-tyypin pietsosähköisen komposiittimateriaalianturin kaistanleveys on 1, kun resonanssitaajuus on 151 kHz. 71 kHz, akustinen impedanssi on 17,47 Pa·s/m3, johtavuusarvo 104,6 mS, sähkömekaaninen kytkentäkerroin 0,68. Mekaaninen laatukerroin on 88. 18. Herkän materiaalin testitulos on hyvä.

 

1.3 Korkeataajuisen yksisuuntaisen tasolevyn valmistus vedenalainen hydroakustinen anturi Lisää grafiittia polyuretaaniin, jonka pääkomponentti on epoksihartsi, ja sekoita, jotta saadaan tarvittava vedenpitävä ääntä läpäisevä kerros, ja tee muotti anturin koon mukaan kaatamista ja sulkemista varten ja lopuksi tee korkeataajuinen yksisuuntainen tasomainen vedenalainen akustinen kaikuanturi.

 

1. 4 Anturin suorituskykytesti

Anturin suorituskyvyn testaamiseen kuuluu pääasiassa sen lähetysjännitevasteen, vastaanottoherkkyyden ja suuntaavuuden mittaaminen. Anturin suuntaavuuden mittaamista käytetään yleensä sen suuntakuvion piirtämiseen. Mittauksen aikana testattavaa anturia pyöritetään, jotta saavutetaan anturin lähetysvasteen tai vastaanottoherkkyyden mittaaminen atsimuuttikulmalla, minkä jälkeen saadaan muuntimen suuntakuvio.

 

2 Piirin suunnittelu

 

Ottaen huomioon point-to-point-viestintämenetelmän ja tehon käyttöasteen, tässä artikkelissa otetaan käyttöön kaksipuoleinen (DSB) signaalimodulaatio ja koherentti demodulaatio. Modulaatioperiaate esitetään yhtälössä (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Demodulaatioperiaate esitetään yhtälössä (2): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) (2) jossa: uDSB on moduloitu signaali; uc (t) on moduloitu signaali; uΩ (t) on kantoaaltosignaali. DSB-modulaatiopiirin olennainen toiminto on kertoja, joka käyttää kantoaaltosignaalia kantataajuisen signaalin kuljettaman tiedon siirtämiseen. Demoduloinnin aikana moduloitu signaali kerrotaan kantoaallolla, jolla on sama taajuus ja vaihe, ja johdetaan sitten kaistanpäästösuodattimen läpi alkuperäisen signaalin saamiseksi. Signaalin siirtoon tarvittava energianmuuntolaite käyttää tässä artikkelissa valmistettua tasomaista ultraäänianturia. Lähettävän ja vastaanottavan käyttöpiirijärjestelmän periaate esitetään.

 

2. 1 Piirimoduuli

Yksisiruinen STM32F103RC-mikrotietokone käyttää Cortex-M3-ydintä ja sen suurin suorittimen nopeus on 72 MHz. Verrattuna 51- ja 52-malleihin yksisiruisiin mikrotietokoneisiin käskyjen suoritusnopeus on nopeampi, volyymi pienempi ja integrointi helppoa. AD9833 on alhainen virrankulutus,

ohjelmoitava signaalinmuodostusmoduuli, joka voidaan ohjelmoida tuottamaan sini-, neliö- ja kolmioaaltoja tietyllä taajuusalueella. Siinä oleva FSYNC-portti on tulotason liipaisuportti, joka toimii kehyssynkronointi- ja aktivointisignaalina. Kun FSYNC on alhainen, tietoja voidaan siirtää. Lisäksi AD9833:ssa on 16-bittinen ohjausrekisteri. Ohjausrekisterin ohjelmoimalla AD9833 voi toimia käyttäjän vaatimassa tilassa. STM32F103RC-mallin yksisiruisen mikrotietokoneen käyttö AD9833-signaalin generointimoduulin ohjaamiseen tuottaa vähemmän siniaaltovääristymiä. Piiri saa virtaa TPS5430-hakkuriteholähdemoduulista, joka voi tarjota vakaat 5 V ja 12 V jännitteet välttäen signaalin lähetyksen vääristymiä ja viiveitä.

 

Kun ulkoinen äänisignaali tulee taajuusmuuttajapiiriin, se kerrotaan 150 kHz:n siniaallolla, jonka kantoaallon generointimoduuli generoi kertojan AD835-moduulissa (kaksisivukaistamodulaatiovaihe), ja sitten kaistanpäästösuodatin suodattaa osan kertojan lähtösignaalin kohinasta. Luotu signaali vahvistetaan tehovahvistimella ja liitetään sitten lähettävään muuntimeen, ja lopuksi lähettävä muunnin lähettää signaalin veteen. Kaksisivukaistamodulaatiolla voidaan siirtää kantataajuinen signaali kantoaaltotaajuudelle multipleksoinnin saavuttamiseksi ja kanavan käytön parantamiseksi; toiseksi se laajentaa signaalin kaistanleveyttä, parantaa järjestelmän häiriönestokykyä ja parantaa signaali-kohinasuhdetta. Tässä ohjauspiirissä tehovahvistin vahvistaa signaalia ohjatakseen muuntimen toimimaan. Ulkoinen äänisignaali voi olla musiikkia, jota johdetaan elektronisen laitteen, kuten matkapuhelimen, kuulokeliitännästä, tai signaali, joka on muunnettu ja johdettu ulkoisella äänellä mikrofonimoduulin kautta.

 

2. 3 Vastaanotto- ja ohjauspiiri

Sen jälkeen kun lähettävä muunnin on lähettänyt ääniaaltosignaalin vesikanavaan, tarvitaan vastaava vastaanottoohjauspiiri signaalin vastaanottamiseksi vesikanavassa ja alkuperäisen moduloidun signaalin palauttamiseksi. Tässä artikkelissa suunnitellun vastaanottavan ohjauspiirin toimintaperiaate. Kun vastaanottava ohjauspiiri vastaanottaa signaalin kanavassa, se siirretään ylipäästösuodattimelle suurtaajuisen johtimen kautta ja piirin tuottama ja kanavaan sekoitettu kohina poistetaan. Sitten tämä signaali ja 150 kHz siniaalto kerrotaan kertojan AD835 moduulissa. Kertojatoiminnan lähtö välitetään kaistanpäästösuodattimelle koaksiaalisen suurtaajuuskaapelin kautta ja signaali valitaan vaaditulla taajuusalueella (koherentti demodulaatiovaihe). Lopuksi tehovahvistinmoduulia TDA2030A käytetään kaiutinmoduulin ohjaamiseen, ja demoduloitu signaali toistetaan äänen muodossa. Tässä järjestelmässä sekä lähettävän käyttöpiirin että vastaanottavan ohjauspiirin on käytettävä jännitteen stabilointimoduulia TPS5430 varmistaakseen kunkin moduulin jännitteen vakaan ja vakaan toiminnan, ja suodattimet ovat kaikki 4. asteen aktiivisia suodattimia. Modulaatio- ja demodulaatioprosessissa käytetyt kantoaaltotaajuudet ovat kaikki samalla taajuudella, jonka aktiivinen AD9833-moduuli generoi STM32F103RC-mikrokontrollerin ohjelmoinnin jälkeen.

 

3 Kokeellinen tarkastus

3. 1 Hydroakustisen tiedonsiirron varmistus

Tämän järjestelmän toiminnan todentamiseksi suoritettiin vedenalainen akustinen viestintätesti noin 100 metrin säteellä olevassa järvessä. Lähetä lähettimen anturi ja vastaanottimen anturi

Vastaanottimet sijoitetaan vastaavasti järven kahdelle puolelle halkaisijan suunnassa ja vastaavasti kytketty lähetyskäyttöpiiriin ja vastaanottokäyttöpiiriin. Koska ihmisäänen taajuus on yleensä välillä 8-10 kHz sisältäen monia yliäänikomponentteja, kappaleen äänisignaali valitaan satunnaisesti modulaatiosignaaliksi. Signaali näytetään oskilloskoopilla, alkuperäinen audiomodulaatiosignaali on esitetty kuvassa 7(a) ja AD9833:n 150 kHz:n kantoaaltosignaali on esitetty kuvassa 7(b).

Kantoaaltosignaali ja audiomodulaatiosignaali syötetään kertojaan alustavan modulaation suorittamiseksi. Kun kertoimen lähtösignaali on mitattu oskilloskoopilla, se näkyy kuvassa 8.

Kuvan 8 taajuusnäytön mukaan se noudattaa kaksisivukaistamodulaatiolakia. Kertojan lähtösignaali syötetään tehovahvistimeen koaksiaalikaapelin kautta, ja signaalin tehoa kasvatetaan pienemmällä särön alueella muuntimen ohjaamiseksi antamaan signaali. Oskilloskoopin näyttämä lähetysanturin tulo. Signaali näkyy kuvassa 9.

Kuvasta 9 voidaan havaita, että purse on kadonnut, eli piirin tuottama kohina on suodatettu pois. Vastaanottava muunnin eli hydrofoni vastaanottaa signaalin kanavalta kuvan 10 mukaisesti.

Hydrofonin vastaanottama signaali sisältää äänisignaaleja, kohinaa ja osan päällekkäisestä signaalista, joka aiheutuu kanavan monitievaikutuksesta, mikä aiheuttaa häiriöitä ja päällekkäisyyksiä joissakin signaalin aaltomuodoissa. Kun vastaanotettu signaali on suodatettu ylipäästösuodattimella matalataajuisen kohinan ja päällekkäisten signaalien poistamiseksi, se demoduloidaan 150 kHz:n siniaallolla järjestelmässä, joka koostuu kertojasta ja kaistanpäästösuodattimesta alkuperäisen kantataajuussignaalin palauttamiseksi, ja kaiutinta ohjaa tehovahvistinmoduuli TDA20A. Alkuperäinen äänisignaali lähetetään ilman vääristymiä. Lähetyksen äänisignaali on alkuperäinen musiikkisignaali. Vastaanottavan ohjauspiirin palauttama äänisignaali on esitetty kuvan 11 alimmassa aaltomuodossa.

Kuva 11 esittää kahden aaltomuodon vertailun. Yläosassa näkyy hydrofonin vastaanottama signaali, ja alaosassa on palautettu äänisignaalin aaltomuoto. Äänenpalautusvaikutus on hyvä. Alkuperäisen äänisignaalin ja palautetun äänisignaalin aaltomuotoja verrataan alkuperäiseen ääneen ja todelliseen äänenlaatuun. Tulos osoittaa, että järjestelmä voi ohjata 150 kHz korkeataajuista yksisuuntaista tasomaista hydroakustista anturia. Äänisignaali voidaan lähettää laadukkaasti, ja ääni lähetyspäässä on selkeää ja vakaata.

 

3. 2 Taajuuden säädettävyyden tarkastus

Kun on varmistettu, että järjestelmä ja sovitettu anturi toimivat ja toimivat normaalisti, suoritetaan toinen koe järjestelmän taajuuden säädettävyyden tarkistamiseksi. Ohjelmoi signaalinmuodostusmoduuli muokkaamaan sitä laboratoriossa valmistetun 300 kHz:n muuntimen kanssa. Testaa signaalin lähetystehoa. Audiomodulaatiosignaali on esitetty kuvassa 12(a) ja juuri palautettu audiosignaali on esitetty kuvassa 12(b).

Oskilloskoopin havaitsema signaalin aaltomuoto edustaa lähetettyä audiosignaalia. Kuvassa 12(b) yläosa on hydrofonin vastaanottama signaali ja alaosa on palautettu äänisignaalin aaltomuoto. Vertaamalla ja analysoimalla järjestelmän tulo- ja lähtöäänisignaaleja voidaan nähdä, että järjestelmä pystyy välittämään audiosignaaleja korkealaatuisesti, eli järjestelmä pystyy mukautumaan eri resonanssitaajuuksilla oleviin signaaleihin tietyllä taajuusalueella.

 

3. Suorituskykyindeksianalyysi

Ensinnäkin korkeataajuisen tarkan tiedonsiirron edellytyksenä tämän järjestelmän etenemisetäisyys on yli 100 m taajuudella 150 kHz, mikä ylittää huomattavasti useiden vedenalaisten viestintäjärjestelmien alle 100 metrin vedenalaisen akustisen viestinnän etäisyyden signaalin lähetyksen laadun kustannuksella. Toiseksi, mitä tulee lähetysinformaation kaistanleveyden suorituskykyyn, verrattuna moniin markkinoilla oleviin vedenalaisiin akustisiin viestintäjärjestelmiin, joiden kaistanleveys on noin 200 Hz, tämän järjestelmän lähetyskaistanleveys voi olla 1,71 kHz, mikä suurelta osin välttää äänisignaalien vääristymisen viestinnän aikana. Lopuksi puheviestinnän laadun kannalta mittausstandardina käytetään viimeisen vastaanottopään lähettämän puheen selkeyttä. Verrattuna moniin siviilivesien ääniviestintälaitteisiin, joissa on suuri kohina ja epäselvät signaalit, järjestelmä on testattu samoissa järviolosuhteissa. Ääni on selkeä ja vakaa.

 

4 Johtopäätös

Tämä artikkeli suunnittelee joukon vedenalaisia ​​akustisia viestintäpiirejä, jotka perustuvat point-to-point-viestinnän ja vedenalaisen akustisen viestinnän käytännön soveltamiseen. Ensinnäkin anturin suunnittelun asiaan liittyvien teorioiden ja laboratorion tulosten perusteella anturin rakennetta simuloidaan ANSYS elementtisimulaatioohjelmistolla ja leikkaus- ja täyttömenetelmä suoritetaan käyttämällä korkean suorituskyvyn herkkää materiaalia PZT5-A pietsosähköisenä Keraaminen funktionaalinen materiaalifaasi, epoksihartsi faasi, polymeeripylväs 618, täyttö on tsoelektrinen. yksisuuntainen 1-3 tyyppinen pietsosähköinen komposiittihydroakustinen tasomuunnin. Sitten tietoliikennejärjestelmässä käytettiin valmistettua anturia ja kehitettiin vedenalainen akustinen viestintäpiiri, jolla oli vakaa rakenne ja selkeä viestintä. Tämä piiri voi toteuttaa tehokkaan vedenalaisen viestinnän, ja modulaatio- ja demodulointipiirin suunnittelun ja kantoaaltosignaalin säädettävän taajuuden vuoksi piiri voidaan myös sovittaa ultraäänianturiin pitkän matkan vikojen havaitsemisen ja etäisyyden mittauksen toimintojen toteuttamiseksi.