Dizajn, razvoj i primjena širokopojasnog kombiniranog podvodnog akustičkog pretvornika

uvod

 

Ocean nije samo važno blago ribarstva i mineralnih resursa, već i važan položaj za zemlje u održavanju nacionalne sigurnosti i vojnih borbi. Stoga je podvodna akustična tehnologija postala važno sredstvo za trenutačno istraživanje i razvoj morskih resursa, podvodnu komunikaciju i navigaciju brodova, otkrivanje i prepoznavanje podvodnih ciljeva, kao i praćenje morskog okoliša i predviđanje prirodnih katastrofa. The podvodni akustični pretvarač nositelj je emisije i prijema zvučnih valova u podvodnoj akustičkoj tehnologiji, a njegova tehnička razina izravno utječe ili čak određuje konačni učinak realizacije podvodne akustičke tehnologije. Aktivna sonarna detekcija i istraživanje morskih resursa zahtijevaju sonde niske frekvencije, velike snage i male veličine. Simulacija buke i kalibracija sonara zahtijevaju podvodne akustične pretvarače s ultraniskim frekvencijama i ultraširokopojasnim karakteristikama. U području podvodne akustičke komunikacije, podvodni akustični pretvornici moraju imati karakteristike visoke učinkovitosti, ultraširokog pojasa, visoke osjetljivosti i ravnog unutarnjeg pojasa. Općenito, podvodni akustični pretvarači se razvijaju prema niskofrekventnim, širokopojasnim, velike snage, male veličine i dubokoj vodi. Sonda za duboku vodu usvaja metodu unutarnjeg ispiranja za rad na dubini do 11 000 m i koristi spoj unutarnje uljne šupljine i strukturnih dijelova za stvaranje višemodnih vibracija, koje proširuju frekvencijski pojas sonde. Multirezonantna šupljina formirana je prelijevanjem okruglih cijevi različitih veličina, a radna frekvencija se može prilagoditi promjenom veličine okruglih cijevi kako bi se dobio širi pretvornik.

 

Širina frekvencijskog pojasa je 200Hz~2kHz. Promjer od podvodni hidrofonski pretvarač je 250 mm, a duljina 500 mm. Opseg pokrivenosti je 7~15kHz, razina izvora zvuka je 200dB, osjetljivost prijema je -176dB, a radna podvodna dubina je 11000m. Nedavno razvijena sonda ima veličinu promjera 240 mm, duljinu 420 mm, frekvencijski pojas pokrivenosti je 1,8 ～ 8,0 kHz, odziv prijenosa je 144 dB, a fluktuacija unutar pojasa manja je od 6 dB. Ukratko, inozemni podvodni akustični pretvarači pokrili su cijeli radni frekvencijski pojas, čak pokrivajući cijelo vodeno područje, i formirali su određenu ljestvicu u inženjerstvu, serijalizaciji i generalizaciji, predstavljajući naprednu razinu industrije. Domaći znanstveni instituti i druge srodne jedinice provele su mnoga istraživanja i pokuse te su postigle određene rezultate. Međutim, još uvijek postoji određena praznina u ključnoj tehnologiji i tehnologiji obrade podvodnih akustičnih pretvarača u usporedbi sa stranim zemljama, posebno u Sve veći zahtjevi za ultraširokom pojasom, malom veličinom i visokim performansama u podvodnoj akustičkoj detekciji zahtijevaju dubinsko istraživanje. Zahtjevi za razvoj. S razvojem tehnologije smanjenja buke brodova u raznim zemljama, razina buke brodova i podvodnih ciljeva postupno se smanjivala. Podvodno oružje i oprema kao što su torpeda uglavnom koriste širokopojasne podvodne akustične pretvarače za proširenje raspona detekcije i poboljšanje složene podvodne akustike. Sposobnost detekcije i točnost pogotka ispod pozadine odjeka poboljšavaju sposobnost prepoznavanja podvodnih ciljeva. Osim toga, kao odgovor na razne mornarice, obavještajne agencije, gospodarske subjekte, pa čak i međunarodne terorističke organizacije, U raspoređivanju Frogman-a, autonomnih podvodnih vozila (AUV) i mikro-podmornica za izviđanje, sabotaže, eksplozije i operacije postavljanja mina često se izvode u operacijama manjeg opsega. Daljinski upravljane bespilotne ronilice (ROV) i druga podvodna vozila opremljena su različitom opremom za detekciju za sigurnosnu zaštitu, a postavljaju se posebni zahtjevi za glavne tehničke pokazatelje njihovih sonara. U ovom radu, u cilju ispunjavanja zahtjeva akustičke detekcije mjehurića traga površinskih brodova, projektiran je i razvijen model s 3 ～ 100kHz ultraširokopojasnim funkcijama prijema i odašiljanja, koji može provoditi podvodna akustička mjerenja mjehurića traga brodova u stvarnom vremenu pod velikim kutom otvaranja, i zahtijeva da su funkcije prijema i odašiljanja neovisne jedna o drugoj. I može se kontrolirati, cjelokupna struktura mora biti kompaktna, fizička veličina je mala i lako se instalira i koristi na malom ROM-u. Uzimajući u obzir stvarne zahtjeve i stvarne radne uvjete, glavni tehnički pokazatelji pretvarača opisanog u ovom članku su sljedeći: 1) Frekvencija odašiljanja je 3~100kHz, a frekvencija prijema je 1~100kHz. 2) Razina izvora zvuka emisije ≥ 189 dB. 3) Prijemna osjetljivost ≥ -180dB. 4) Unutarpojasna fluktuacija ≤ 6dB. 5) Širina snopa (vodoravna) ≥ 90° (-3dB). 6) Širina snopa (vertikalno) ≥ 70° (-3dB). 7) Radna dubina vode ≥ 500m. 8) Dimenzije ≤ 350 mm × 150 mm × 250 mm. 9) Masa ≤ 10 kg. Među njima, ROV je mala struktura za otkrivanje, a njezin kapacitet nosivosti je ograničen, tako da sonda mora biti što je moguće manja, male težine i laka za implementaciju pod pretpostavkom ispunjavanja pokazatelja učinka.

 

2 Dizajn i razvoj pretvarača

 

2.1 Dizajn pretvornika i analiza simulacije

The podvodni cilindrični pretvarač pripada zasebnoj strukturi prijema i odašiljanja. Odašiljački kraj realiziran je korištenjem tri pretvornika kompozitne štapićaste strukture, a odgovarajući frekvencijski pojasevi su 3 ～ 18 kHz, 18 ～ 45 kHz, 45 ～ 100 kHz; prijemni kraj je realiziran korištenjem 2 piezoelektrična keramička prstenasta hidrofona serije, a frekvencijski pojasevi su 1-40kHz, 40-100kHz. Gore spomenuto postolje odašiljačke i prijamne sonde zapakirano je kao cjelina, a unutra je dizajnirana antiakustična pregrada. Nakon što je paket integriran, ukupna masa je oko 9 kg. Cjelokupni oblik pretvarača je nepravilan kvadar. Osnovna veličina je oko 310 mm × 150 mm × 220 mm. Izgled je prikazan na slici 1. Glavni kabel se može spojiti na vanjsku sonarnu elektroničku opremu u obliku konektora.

 

Ciljajući na zahtjeve glavnog tehničkog indeksa podvodnog akustičnog pretvornika u ovom članku, u kombinaciji s gornjom shemom dizajna, provodi se simulacijska analiza njegovih performansi odašiljanja i primanja. Zbog složene strukture pretvornika dizajniranog u ovom radu i širokog pokrivanja frekvencijskog pojasa, metode teorijske analize nisu prikladne za proračun i simulaciju. Kao što svi znamo, metoda konačnih elemenata je metoda numeričke simulacije koja se široko koristi u trenutnoj inženjerskoj praksi. Koristite softver ANSYS za simulaciju vodenog područja slobodnog polja i uspostavite pojednostavljeni model sonde. Odaberite točku u jedinici dalekog polja izravno ispred prednjeg poklopca kako biste izračunali zvučni tlak, a zatim se odziv napona prijenosa pretvarača može pretvoriti. U jedinici dalekog polja odaberite zvučni tlak u svakom smjeru na određenoj udaljenosti duž središta sonde kako biste izračunali otvoreni kut usmjerenosti emisije sonde. Budući da kompozitni štapni pretvornik ima aksijalnu simetriju, za analizu konačnih elemenata odabire se 2D osnosimetrični model konačnih elemenata. Pri korištenju ANSYS proračuna potrebno je uzeti u obzir utjecaj vode na pretvarač. Obično je ekvivalentni učinak vaterpolo, a zatim se primjenjuje opterećenje za izračun rješenja. Model pretvarača u vodi prikazan je na slikama 2 i 3.

 

Na slikama 2 i 3 može se vidjeti da su pretvornici za odašiljanje dizajnirani s vršnom širokopojasnošću dvostruke rezonancije. Rezonantne frekvencije jedinice od 3~18kHz odašiljačkog pretvarača su 5kHz, 14kHz, a rezonantne frekvencije jedinice od 18~45kHz su 20kHz, 40kHz, a rezonantne frekvencije od 45~100kHz, 55k. Jedinica prijamnog hidrofona od 1-40 kHz koristi piezoelektrični prsten, a rezonantna frekvencija jednog prstena veća je od 40 kHz kako bi se osigurao ravan radni frekvencijski pojas. Unutarnja dvoserijalna i dvoparalelna struktura poboljšava osjetljivost i stabilnost; 40-100kHz jedinica prijamnog hidrofona koristi piezoelektrični kompozitni materijal, rezonantna frekvencija je veća od 100kHz kako bi se osigurala ravnost u pojasu. U ovom se radu jednadžba konačnog elementa koristi kao MU ¨ + CU · +KU = F (1) gdje je: M matrica mase; C je matrica prigušenja; K je matrica krutosti; U je vektor nodalnog pomaka; F je vektor opterećenja. Razina odziva napona emisije TVR je TVR = 20lg p RV + 120 (2) gdje je: p zvučni tlak čvora; R je udaljenost od čvorišta do ekvivalentnog središta izvora zvuka; V je primijenjeni napon. Izdvojite zvučni tlak p čvora na akustičnoj osi u ANSYS i izračunajte krivulju odziva emisije pretvarača. U stvarnom dizajnu, odašiljački dio podvodnog akustičnog pretvornika sastoji se od tri vrste kompozitnih štapnih odašiljačkih pretvornika, koji ostvaruju širokopojasnu usmjerenu emisiju i potiskuju stražnje zračenje u isto vrijeme. Odašiljački pretvarač pokriva široki frekvencijski raspon i uglavnom se koristi za podvodna akustička mjerenja. Mora imati dobru unutarnju ravnost kako bi se osigurala točnost podvodnog akustičkog mjerenja. U inženjerstvu se često koriste metode kao što su optimizacija veličine radijacijske glave pretvornika ili kontrola optimizacije faze kako bi se smanjile fluktuacije u pojasu i serijskog otpora na piezoelektričnom keramičkom nizu prije i poslije dvostruke rezonancije (ili 'dvostruke pobude') pretvarača emisije. , Da bi se dodatno smanjila fluktuacija odziva napona prijenosa pretvarača u radnom frekvencijskom pojasu. Ovaj rad razmatra veličinu i kvalitetu pretvornika montiranog na malom ROM-u, kao i cjelokupnu instalacijsku strukturu, i uglavnom usvaja literaturnu metodu za suzbijanje fluktuacija unutar pojasa odašiljačkog pretvornika, to jest, metodu podešavanja otpora prilagodbenog otpornika. Pod pretpostavkom da su serijski otpori prednjeg i stražnjeg piezoelektričnog keramičkog niza unutar odašiljačke sonde R1 odnosno R2, vrijednosti otpora R1 i R2 prilagođene su za kontrolu ravnosti odašiljačke sonde u pojasu. Analizom konačnih elemenata simulira se emisijski odziv odašiljačkog pretvarača pod različitim vrijednostima otpora. Uzimajući za primjer dizajnirani pretvornik za odašiljanje dvostruke rezonancije od 18~45kHz, analiza simulacije pokazuje da odziv odašiljanja varira s krivuljom vrijednosti otpora kao što je prikazano na slici 4. Na slici se može vidjeti da podešavanje R1 i R2 može u osnovi kontrolirati ravnomjernost u frekvencijskom pojasu pretvornika za odašiljanje. Optimiziranjem otpora R1 i R2 može se zaključiti da kada je R1=940 Ω , R2=330 Ω , ima bolju ravnomjernost unutar pojasa. (Prikazano isprekidanom linijom na slici 4), a ukupni odziv unutarpojasne emisije ne mijenja se puno,

 

Može zadovoljiti zahtjeve dizajna, u kombinaciji sa stvarnom fizičkom veličinom i podudaranjem širokopojasne impedancije, sveobuhvatnom simulacijom mogu se dobiti rezultati simulacije odziva napona odašiljača od 3 ~ 18 kHz, 18 ~ 45 kHz i 45 ~ 100 kHz, kao što je prikazano na slici 5-7. Može se vidjeti iz Sl. 5-7 da odziv napona odašiljača sonde nije manji od 140 dB u frekvencijskom pojasu, što udovoljava zahtjevima tehničkih pokazatelja povezanih s projektnim unosom i može pružiti veću razinu izvora zvuka za podvodnu akustičnu detekciju na velikim udaljenostima.

Prijemni dio hidroakustičkog pretvarača ostvaren je kombinacijom dvaju nizova hidrofona, od kojih svaki usvaja serijsku i paralelnu vezu piezoelektričnih keramičkih prstenova za postizanje usmjerenog prijema. Među njima, hidrofon frekvencijskog pojasa 1-40kHz izrađen je u obliku dva piezoelektrična keramička prstena spojena u seriju. Osjetljivost jednog hidrofona nije manja od -193dB, a osjetljivost hidrofona nakon serijskog spajanja nije manja od -178dB. Rezultati analize simulacije osjetljivosti prikazani su na slici 8. Hidrofon nema horizontalnu usmjerenost (može se primijeniti usmjerenost s podesivom pregradom), a vertikalna usmjerenost od 3kHz je oko 130 ° . Rezultati simulacije prikazani su na slici 9. Vertikalna usmjerenost od 40kHz je oko 73 ° , a rezultati simulacije prikazani su na slici 

 

 

11. Prijemni dio hidrofona u frekvencijskom pojasu od 40~100kHz ima dvije piezoelektrične keramičke prstenaste strukture. Radna frekvencija može zadovoljiti upotrebu od 40~100kHz, ali je osjetljivost niska. Nakon serijskog spoja, osjetljivost hidrofona nije manja od -180dB. Rezultati simulacije osjetljivosti su sljedeći Kao što je prikazano na slici 11. Razina hidrofona nema usmjerenost (može se primijeniti pregrada za podešavanje usmjerenosti), a vertikalna usmjerenost na 100kHz je oko 77 ° . Rezultati simulacije prikazani su na slici 12

Prema analizi simulacije koja se temelji na metodi konačnih elemenata, kombinirani pretvornik dizajniran u ovom radu može zadovoljiti projektne ulazne zahtjeve u smislu odašiljanja i primanja, a glavni tehnički pokazatelji su zadovoljeni.

 

 2.2 Razvoj pretvarača

Širokopojasni spoj sferni podvodni akustični pretvarač instaliran je na mali ROM za korištenje. Na temelju zadovoljavanja potreba širokopojasne akustične detekcije, fokusira se na malu veličinu i lagan dizajn. U ovom radu, u kombinaciji s ukupnim dizajnom strukture malog ROM-a, konačno razvijena sonda prikazana je na slici 13. Specifična struktura dizajna prikazana je na slici 14. Širokopojasni kombinirani podvodni akustični pretvornik dizajniran i razvijen u ovom radu pokriva frekvencijski raspon odašiljanja od 3~100kHz, frekvencijski pojas prijama od 1~100kHz, a ukupna masa fizičkog objekta je 9,4kg (u zraku, uključujući nosač i priključni kabel), veličina je 328,5 mm × 140 mm × 240 mm, što je manje od zahtjeva za veličinom i kvalitetom u ulazu dizajna, čime se smanjuju zahtjevi za nosivost ROM-a. Pretvornik se usklađuje i instalira na tijelo ROM-a, a stvarni objekt nakon instalacije prikazan je na slici 15. Rezultati analize simulacije mogu se koristiti kao referentni unos dizajna, ali u naknadnom stvarnom procesu razvoja i otklanjanja pogrešaka potrebno ga je prilagoditi prema stvarnoj situaciji mjerenja kako bi se zadovoljili zahtjevi stvarne upotrebe.

 

3 Eksperimentalni test

Odašiljački dio širokopojasnog kombiniranog podvodnog akustičnog pretvornika koristi 3 vertikalne jedinice za formiranje radnog frekvencijskog pojasa koji pokriva 3~100kHz, a prijemni dio usvaja 2 neovisne jedinice za formiranje radnog frekvencijskog pojasa koji pokriva 1~100kHz. Cjelokupni raspored odašiljanja na oba kraja i primanja u sredini usvojen je kako bi se osigurao kut otvaranja sonde. Antiakustična pregrada dizajnirana je unutar sonde kako bi se smanjila unutarnja refleksija i superpozicija akustičnog signala. U isto vrijeme, podesivi potporni mehanizam usvojen je u prijemnom dijelu, a visina prijemne sonde ograničeno je prilagođena prema stvarnoj testnoj situaciji kako bi se dodatno proširio kut otvaranja prijama kako bi se izbjegla okluzija i refleksija školjke sonde i tijela ROV-a. Nakon dovršetka razvoja, kako bi se dodatno dobila stvarna radna izvedba pretvornika, koja se razlikuje od metode ispitivanja neovisnog primopredajnika koja se obično koristi u laboratoriju, ovdje se koristi ispitivanje ukupnog indeksa akustične izvedbe pretvornika. Odnosno, nakon što je cijela instalirana na ROV, ispitivanje spremnika sonde provodi se pod simulacijom stvarnih radnih uvjeta kako bi se dodatno potvrdilo da je sonda instalirana na ROV i da na nju utječe struktura ROV-a, kako bi se dobilo stvarno radno stanje sonde. Stvarni parametri performansi. Sveobuhvatno ispitivanje provedeno je u bezehoičnom bazenu kako bi se potvrdila realizacija njegovih pokazatelja učinkovitosti. Uvjeti ispitivanja bazena bez jeke. sobna temperatura okoline je 25 ℃ , duljina ispitnog kabela je 3 m, dubina vode je 3 m, temperatura okolne vode je 20 ℃ , izolacijski otpor je 500 M Ω , statički kapacitet je 51.000 pF, a ispitna udaljenost je 6,2 m. Stvarni rezultati mjerenja prikazani su na slikama 16

 

 

ROV se koristi za montiranje širokopojasnog kombiniranog podvodnog akustičnog pretvornika za izvođenje širokopojasne podvodne akustičke detekcije mjehurića traga površinskog broda i dobivanje relevantnih akustičnih karakteristika mjehurića traga i fizičke veličine traga. U specifičnom testu na jezeru, površinski brod je korišten za izravnu plovidbu velike brzine na vodenoj površini. Brod je bio dugačak 7,5 m, širok 3 m i gaz 0,35 m. Propeler vanjskog motora bio je 0,8 m pod vodom. Ispitni akvatorij je otvoreni dio jezera, prosječna dubina područja je 35 m, a brzina broda 10 čvorova pri prolasku mjerne točke. ROV je opremljen širokopojasnim kombiniranim podvodnim akustičnim pretvornikom u ovom članku za kontinuirano mjerenje. U ponovljenim mjerenjima, različite kombinacije akustičnih frekvencija koriste se za detekciju, a rezultati mjerenja distribucije mjehurića buđenja se dobivaju, kao što je prikazano na slici

 

 

Na slici 18 može se vidjeti da je stvarno mjerenje veličine mjehurića u tragu broda koncentrirano u visokoj gustoći od 10-20 μm . Rezultat mjerenja u skladu je s najvećom gustoćom broja mjehurića u tragu navedenom u literaturi s polumjerom od 10-20 μm , što dokazuje da je sonda . Uređaj zadovoljava zahtjeve ispitivanja u stvarnom radnom okruženju. U isto vrijeme, sonda se koristi za kontinuirano mjerenje sloja mjehurića u tragu koji se formira nakon što površinski brod isplovi, a prema dobivenim informacijama o ciljnom intenzitetu akustičnog mjehurića u tragu, u kombinaciji s trenutnim podvodnim akustičnim okruženjem (kao što je brzina zvuka, dubina vode itd.) i prethodnim podacima (kao što je osjetljivost sonde, pojačanje kruga na razini izvora zvuka itd.), procijenjenim prema odgovarajućem algoritmu za obradu, i dobivena krivulja čvrstoće mjehurića s dubinom i vremenom kao što je prikazano na slici 19. Na slici 19 može se vidjeti da je trajanje mjehurića u tragu oko 173 s, a stvarna izmjerena debljina mjehurića u srednjem tragu je 1,46 m, što je u osnovi u skladu s empirijskom formulom danom konvencionalnom formulom za izračun traga. Ukratko, kroz cjelokupni test mjerenja u bezehoičnom bazenu, rezultati mjerenja pokazuju da je stvarna izvedba sonde u osnovi u skladu s rezultatima simulacije. Instaliran je na ROV platformi i potvrđen stvarnim navigacijskim testom na jezeru. Rezultati ispitivanja pokazuju da pretvornik pokriva široki frekvencijski pojas, ima malu strukturu, a rezultati mjerenja su u osnovi u skladu s empirijskim formulama. Podaci mjerenja su vjerodostojni i mogu zadovoljiti zahtjeve za mjehurićima traga površinskih brodova.

 

 4 Zaključak

 

 Ovaj rad predlaže kombiniranu metodu projektiranja integriranog pretvornika, s niskofrekventnim do visokofrekventnim širokopojasnim radnim frekvencijskim pojasom, koji je karakteriziran time da odašiljački kraj može pokrivati ​​3~100kHz, prijemni kraj pokriva 1~100kHz, a kut otvaranja nije manji od 70 ° ; Usvajanje zasebnog rasporeda primopredajnika, odašiljanje na oba kraja, primanje koncentrirano u središtu, dizajn unutarnje akustične pregrade; unutarnje komponente pretvornika su integrirane i izlaze kroz vodonepropusni konektor, smanjujući složenost vanjskih veza; Kroz središnju potpornu strukturu sonde, sveukupni centar gravitacije sonde može se podesiti, što je pogodno za prilagodbu i ugradnju malih podvodnih vozila kao što je ROV; otvoreni raspored sonde, mehaničko nošenje preko metalne potpore, smanjuje cijelu sondu. Kvaliteta i veličina uređaja poboljšavaju pristajanje. Ovaj pretvarač ima prednosti širokog radnog frekvencijskog pojasa, većeg kuta otvaranja i manje težine uz ograničenje male veličine. Uspješno je primijenjen na mali ROM, čime je riješen problem ultraširokopojasnog podvodnog akustičkog testiranja na maloj ROM platformi. Ima visoku vojnu i civilnu vrijednost.