Dizajn pogonskog i prijamnog kruga temeljenog na podvodnom akustičkom pretvorniku

Polazeći od potreba vojnih podmorskih komunikacija i civilnih podvodnih komunikacija, jednosmjerna planarna izrađen je podvodni hidroakustički pretvornik rezonantne frekvencije 150 kHz, a projektirani su pogonski krugovi odašiljača i prijamnika pretvornika na principu komunikacije točka-točka. Podvodni akustični pretvarač postavljen je u vodeno područje i spojen na krug kako bi se ostvarila funkcija podvodne komunikacije na velike udaljenosti. Krug je testiran na eksperimentalnoj platformi koju smo sami dizajnirali. Rezultati ispitivanja pokazuju da proizvedena sonda ima veći odziv i osjetljivost na napon emisije, jednu usmjerenost, a podvodni akustični komunikacijski krug ima podesivu frekvenciju, a komunikacija je jasna i stabilna. Podvodni akustični komunikacijski krug može se koristiti za vojnu i civilnu komunikaciju, a lako ga je premještati i nositi, te ga je lako otkloniti. Zbog apsorpcije elektromagnetskih valova, svjetlosnih valova i drugih oblika energije od strane morske vode i postojanja dubokih morskih 'zona konvergencije', zvučni valovi su trenutno jedini poznati oblik energije koji može bežično prenositi signale na velike udaljenosti pod vodom. Zvučni valovi s frekvencijom vibracije iznad 20 kHz nazivaju se ultrazvučni valovi. U usporedbi s običnim zvučnim valovima, ultrazvučni valovi imaju bolju usmjerenost, veću moć prodiranja i bolju refleksiju. Stoga se naširoko koriste u prijenosu informacija, otkrivanju oštećenja, ispitivanju udaljenosti te u medicini i zdravstvu. Ali u procesu širenja, gubitak energije zvučnog vala u vodenom kanalu raste s porastom frekvencije, tako da je raspoloživa širina pojasa vodenog kanala uska, a informacijski kapacitet mali. Stoga izvedba odašiljačkog i prijemnog pogonskog kruga igra ključnu ulogu u kvaliteti podvodne akustične komunikacije. U prošlom stoljeću, američka Harris Acoustic Products Company, Francuska i Ujedinjeno Kraljevstvo razvile su hidroakustičke komunikatore pogodne za podvodnu brodsku komunikaciju. Koristili su jednopojasnu modulaciju i hidrofone velikog volumena kao 'prozor' za prijenos i prijem signala. , Da bi se postigla određena udaljenost podvodne komunikacije, ali oprema je složena, pretvornik je velik i usmjerenost nije dovoljno oštra, nije prikladna za civilnu upotrebu; Sastavljen u analogni komunikacijski sustav temeljen na Linux softveru za obradu signala, na simulatoru kanala Realizirana je komunikacija na daljinu, ali idealni projektirani kanal razlikuje se od stvarnog vodenog kanala; drugi su izgradili podvodni komunikacijski sustav temeljen na paralelnom kombiniranom mapiranju niza proširenog spektra, koristeći DSP čip kao modul za obradu informacija, čime se ostvaruje podvodni skriveni, brzi prijenos informacija između platformi. Međutim, mjerač vremena 555 tradicionalno se koristi za generiranje vala nositelja s određenom frekvencijom vibracija za pogon pogonskog kruga sonde, a stabilnost frekvencije generiranog valnog oblika je relativno loša; a nedavno nastajuća tehnologija obrade DSP čipova ima složene algoritme i treba je provesti za različite vode. Komplicirana izmjena izračuna i naknada nisu prikladni za veliko napredovanje u civilnom području. Osim toga, sonde koje se koriste u uređajima za primopredajnik signala komunikacijskog kruga koji su razvijeni nisu dovoljno oštre, snaga nije koncentrirana, a propusni opseg je relativno uzak, što ne pogoduje prijenosu i prijemu signala. Međutim, većina ultrazvučnih primopredajnika nije prikladna za rad vodenih kanala i ne može zadovoljiti stvarne civilne i vojne potrebe.

 

1) Na temelju malog volumena jednosmjernog podvodnog akustičnog pretvornika , ovaj rad koristi dvopojasnu modulaciju i metode koherentne demodulacije za razvoj odašiljačkog i prijamnog pogonskog kruga prikladnog za podvodnu komunikaciju. Podvodni akustični komunikacijski krug ima visoko iskorištenje frekvencijskog pojasa i podesivu frekvenciju, pogodno za 0 kHz ~ 12. Sonda frekvencijskog raspona od 5 MHz ima komunikacijsku udaljenost do 100 metara. Odašiljački i pogonski krug, prijemni i pogonski krug te odašiljač i hidrofon u krugu zajedno čine skup hidroakustičkog komunikacijskog sustava. Sustav koristi odašiljač i hidrofon kao 'prozor' za razmjenu signala, koristi STM32F103RCT6 i AD9833 kao izvor signala nosača, te kombinira relevantne komponente modema kako bi konačno postigao stabilnu i jasnu komunikaciju.

 

1 Proizvodnja pretvarača

 

1-3 piezoelektrični kompozitni materijal odnosi se na materijal formiran od jednodimenzionalnih povezanih piezoelektričnih keramičkih stupova poredanih paralelno u trodimenzionalnom povezanom polimeru. U usporedbi s čistim keramičkim piezoelektričnim materijalima 1-3 piezoelektrični kompozitni materijali, ima bolje učinke u otkrivanju oštećenja i proizvodnji odašiljačkih i prijamnih pretvarača. Stoga modul primopredajnika akustičnih valova ovog sustava usvaja planarni ultrazvučni pretvornik izrađen od 1-3 piezoelektričnih kompozitnih materijala razvijenih u laboratoriju, koji se sastoji od 1-3 piezoelektričnog kompozitnog planarnog osjetljivog elementa, vodonepropusnog sloja propusnog za zvuk, elektrode i krutog sloja koji se sastoji od visokokvalitetne pjene i metalnog poklopca. Prije izrade pretvarača potrebno je koristiti ANSYS softver za simulaciju konačnih elemenata za arhitekturu modela i izračun simulacije.

 

Simulacija 1-3 piezoelektričnog kompozitnog senzora

 

U softveru za simulaciju konačnih elemenata ANSYS prvo postavite vrstu jedinice, gustoću, Poissonov omjer i Youngov modul epoksidne smole, te postavite gustoću, matricu krutosti, matricu dielektrične konstante i piezoelektričnu matricu piezoelektrične keramike. Drugo, postavite strukturu modela 1-3 piezoelektričnog kompozitnog materijala: ravnina duljine 100 mm, širine 100 mm i debljine 10 mm, u kojoj je širina polimerne faze 0,28 mm, širina piezoelektričnog keramičkog stupca je 1,44 mm, visina je 10 mm. Na taj način, volumni udio PZT piezoelektričnog keramičkog malog stupca u kompozitnom materijalu iznosi 51,84%. Budući da model kompozitnog materijala 1-3 sadrži dvofazne materijale, iznos izračuna je velik kada se izvodi proračun simulacije. Kako bi se smanjio iznos izračuna, jedna jedinica 1-3 piezoelektričnog kompozitnog materijala odabrana je za izračun simulacije. Dijagram strukture modela 1-3 piezoelektričnog kompozitnog materijala i trodimenzionalni dijagram piezoelektričnog keramičkog stupa su sljedeći:

Elementi piezoelektričnog kompozitnog materijala tipa 1-3 su isprepleteni, a rubni uvjeti simetrije dodani su granici oko osi Z (duljina) elementa, a napon od 1 V dodaje se na gornju površinu piezoelektrične keramike u pozitivnom smjeru osi Z, Z = 0 Dodajte napon od 0 V na donju površinu. Postavite vrstu analize frekvencije i odaberite raspon analize frekvencije (50 ~ 250 kHz) i broj koraka), a zatim riješiti i postprocesirati, dobiveni dijagram admitancije prikazan je na slici 2. Iz slike 2 je vidljivo da pretvornik zadovoljava frekvencijske zahtjeve, a osjetljive komponente se mogu izraditi prema zadanim parametrima.

 

Piezoelektrični kompozitni senzor tipa 1-3 izrađen je od piezoelektričnih keramičkih blokova duljine 100 mm, širine 100 mm i debljine 10 mm. Izrežite u smjeru duljine i širine u skladu s dizajnom modela, a zatim ubrizgajte epoksidnu smolu 618. Nakon što odstoji 24 sata, izvedite isto rezanje na stražnjoj strani kako biste uklonili višak epoksidne smole u smjeru debljine kako biste napravili tip 1-3. Piezoelektrični kompozitni materijal. Alkoholom očistite površinu kompozitnog materijala i nanesite srebrnu pastu da nadoknadite elektrodu uništenu poliranjem epoksidne smole i na kraju napravite osjetljivi element od 1-3 piezoelektričnog kompozitnog materijala. Upotrijebite analizator impedancije Agilent 4294A za testiranje osjetljivih komponenti. Rezultati ispitivanja pokazuju da je širina pojasa piezoelektričnog senzora od kompozitnog materijala tipa 1-3 1 kada je rezonantna frekvencija 151 kHz. 71 kHz, akustična impedancija je 17,47 Pa·s/m3, vrijednost vodljivosti je 104,6 mS, koeficijent elektromehaničke sprege je 0,68. Mehanički faktor kvalitete je 88,18. Rezultat ispitivanja osjetljivog materijala je dobar.

 

1.3 Izrada visokofrekventnog jednosmjernog planara podvodni hidroakustični pretvornik Dodajte grafit poliuretanu čija je glavna komponenta epoksidna smola i promiješajte kako biste napravili potreban vodonepropusni zvučno propusni sloj, te izradite kalup prema veličini pretvornika za izlijevanje i brtvljenje, i na kraju izradite visokofrekventni jednosmjerni planarni podvodni akustični pretvornik.

 

1. 4 Test performansi sonde

Ispitivanje performansi sonde uglavnom uključuje mjerenje odziva napona prijenosa, osjetljivosti prijema i performansi usmjerenosti. Mjerenje usmjerenosti pretvornika obično se koristi za crtanje uzorka usmjerenosti. Tijekom mjerenja, sonda koja se testira se okreće kako bi se postigla svrha mjerenja odziva sonde na slanje ili osjetljivost na prijem s kutom azimuta, a zatim se nakon pretvorbe dobiva uzorak usmjerenja sonde

 

2 Dizajn strujnog kruga

 

Uzimajući u obzir metodu komunikacije od točke do točke i stopu iskorištenja energije, ovaj članak usvaja dvopojasnu (DSB) modulaciju signala i koherentnu demodulaciju. Princip modulacije prikazan je u jednadžbi (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Princip demodulacije prikazan je u jednadžbi (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Gdje je: uDSB modulirani signal; uc (t) je modulirani signal; uΩ (t) je nosivi signal. Osnovna funkcija DSB modulacijskog kruga je množitelj, koji koristi signal nositelja za prijenos informacija koje nosi signal osnovnog pojasa. Tijekom demodulacije, modulirani signal se množi s nosačem iste frekvencije i faze, a zatim prolazi kroz pojasni filtar da bi se dobio izvorni signal. Uređaj za pretvorbu energije potreban za prijenos signala koristi planarni ultrazvučni pretvornik izrađen u ovom članku. Prikazan je princip odašiljačkog i prijemnog pogonskog sustava.

 

2. 1 modul strujnog kruga

STM32F103RC mikroračunalo s jednim čipom koristi jezgru Cortex-M3, a maksimalna brzina CPU-a mu je 72 MHz. U usporedbi s mikroračunalima s jednim čipom modela 51 i 52, brzina izvršavanja instrukcija je brža, volumen je manji, a integracija je laka. AD9833 je mala potrošnja energije,

programabilni modul za generiranje signala, koji se može programirati za generiranje sinusnih, kvadratnih i trokutastih valova u određenom frekvencijskom rasponu. Priključak FSYNC na njemu je priključak okidača ulazne razine, koji služi kao sinkronizacija okvira i signal za uključivanje. Kad je FSYNC nizak, podaci se mogu prenijeti. Dodatno, AD9833 ima 16-bitni kontrolni registar. Programiranjem kontrolnog registra, AD9833 može raditi u stanju koje zahtijeva korisnik. Korištenje mikroračunala modela STM32F103RC s jednim čipom za kontrolu AD9833 modula za generiranje signala proizvodi manje izobličenja sinusnog vala. Krug se napaja TPS5430 sklopnim modulom napajanja, koji može osigurati stabilne napone od 5 V i 12 V, izbjegavajući izobličenje i kašnjenje prijenosa signala.

 

Kada vanjski audio signal uđe u pogonski krug, množi se sa sinusnim valom od 150 kHz koji generira modul za generiranje nositelja u modulu množitelja AD835 (korak dvopojasne modulacije), a zatim pojasni filtar filtrira dio šuma izlaznog signala množitelja. Generirani signal se pojačava pomoću pojačala snage i zatim se spaja na odašiljački pretvornik, a na kraju odašiljački pretvornik odašilje signal u vodu. Modulacija s dvostrukim bočnim pojasom može pomaknuti signal osnovnog pojasa na frekvenciju nosača kako bi se postiglo multipleksiranje i poboljšalo iskorištenje kanala; drugo, proširuje propusnost signala, poboljšava sposobnost sustava protiv smetnji i poboljšava omjer signala i šuma. U ovom pogonskom krugu, pojačalo snage pojačava signal kako bi pretvornik počeo raditi. Vanjski audio signal može biti glazba koju prenosi priključak za slušalice elektroničkog uređaja, poput mobilnog telefona, ili signal koji se pretvara i provodi vanjskim zvukom kroz modul mikrofona.

 

2. 3 Prijemno-pogonski krug

Nakon što transduktor odašilje signal zvučnog vala u vodeni kanal, potreban je odgovarajući prijemni pogonski krug za primanje signala u vodenom kanalu i vraćanje originalnog moduliranog signala. Načelo rada prijemnog pogonskog kruga dizajniranog u ovom članku. Nakon što prijemni pogonski krug primi signal u kanalu, on se prosljeđuje visokopropusnom filtru kroz visokofrekventnu žicu, a šum koji stvara krug i miješa se u kanalu se uklanja. Zatim se ovaj signal i sinusni val od 150 kHz množe u množitelju AD835 modula. Izlaz rada množitelja prenosi se na pojasni filtar preko koaksijalnog visokofrekventnog kabela, a odabire se signal u traženom frekvencijskom području (koherentni korak demodulacije). Konačno, modul pojačala snage TDA2030A koristi se za pogon modula zvučnika, a demodulirani signal se reproducira u obliku zvuka. U ovom sustavu, i odašiljački pogonski krug i prijamni pogonski krug moraju koristiti modul za stabilizaciju napona TPS5430 kako bi se osigurao stabilan i stabilan rad napona svakog modula, a svi filtri su aktivni filtri 4. reda. Nosivi valovi koji se koriste u procesu modulacije i demodulacije su svi iste frekvencije, koju generira aktivni AD9833 modul nakon što ih programira STM32F103RC mikrokontroler.

 

3 Eksperimentalna provjera

3. 1 Hidroakustička provjera komunikacije

Kako bi se provjerila funkcija ovog sustava, provedeno je ispitivanje podvodne akustične komunikacije u jezeru radijusa od oko 100 m. Odašiljajte pretvornik odašiljača i pretvornik prijemnika

Prijemnici su postavljeni na dvije strane jezera u smjeru promjera, odnosno spojeni na pogonski krug odašiljača i pogonski krug prijamnika. Budući da je frekvencija ljudskog glasa općenito u rasponu od 8-10 kHz, uključujući mnoge komponente prizvuka, audio signal pjesme nasumično se odabire kao modulacijski signal. Signal se prikazuje na osciloskopu, izvorni signal audio modulacije prikazan je na slici 7(a), a signal nositelja od 150 kHz koji izlazi AD9833 prikazan je na slici 7(b)

Noseći signal i audio modulacijski signal ulaze u množitelj za izvođenje preliminarne modulacije. Nakon mjerenja osciloskopom, izlazni signal množitelja prikazan je na slici 8.

Prema prikazu frekvencije na slici 8, ona je u skladu sa zakonom modulacije dvostrukog bočnog pojasa. Izlazni signal množitelja ulazi u pojačalo snage preko koaksijalnog kabela, a snaga signala se povećava u manjem rasponu izobličenja kako bi pretvornik pokrenuo izlazni signal. Ulaz pretvornika odašiljanja prikazan osciloskopom. Signal je prikazan na slici 9.

Na slici 9 može se primijetiti da je nestao neravnina, odnosno da je šum koji stvara krug filtriran. Prijemni pretvarač, odnosno hidrofon, prima signal iz kanala kao što je prikazano na slici 10.

Signal koji prima hidrofon sadrži audio signale, šum i dio superponiranog signala uzrokovanog višestaznim efektom u kanalu, što dovodi do kvarova i preklapanja u nekim valnim oblicima signala. Nakon što se primljeni signal filtrira visokopropusnim filtrom kako bi se uklonio niskofrekventni šum i superponirani signali, demodulira se sinusnim valom od 150 kHz u sustavu sastavljenom od množitelja i pojasnopropusnog filtra kako bi se vratio izvorni signal osnovnog pojasa, a zvučnik pokreće modul pojačala snage TDA2030A. Izvorni audio signal emitira se bez izobličenja. Emitirani audio signal je izvorni glazbeni signal. Zvučni signal koji je povratio prijemni pogonski krug prikazan je u donjem valnom obliku slike 11.

Slika 11 prikazuje usporedbu dva valna oblika. Gornji dio prikazuje signal koji je primio hidrofon, a donji dio je obnovljeni valni oblik audio signala. Učinak obnove zvuka je dobar. Valni oblici izvornog audio signala i obnovljenog audio signala uspoređuju se i uspoređuju s izvornim zvukom i stvarnom kvalitetom audio zvuka. Rezultat pokazuje da sustav može upravljati visokofrekventnim jednosmjernim planarnim hidroakustičnim pretvornikom od 150 kHz. Audio signal može se prenositi s visokom kvalitetom, a zvuk na kraju emitiranja je jasan i stabilan.

 

3. 2 Provjera podesivosti frekvencije

Nakon provjere da sustav i usklađeni pretvarač rade i funkcioniraju normalno, provodi se drugi eksperiment kako bi se provjerila prilagodljivost frekvencije sustava. Programirajte modul za generiranje signala da ga modificirate tako da odgovara sondi od 300 kHz proizvedenoj u laboratoriju. Ispitajte učinak prijenosa signala. Signal audio modulacije prikazan je na slici 12(a), a novo obnovljeni audio signal prikazan je na slici 12(b).

Valni oblik signala koji detektira osciloskop predstavlja odaslani audio signal. Na slici 12(b), gornji dio je signal koji prima hidrofon, a donji dio je obnovljeni valni oblik audio signala. Usporedbom i analizom ulaznih i izlaznih audio signala sustava vidljivo je da sustav može kvalitetno prenositi audio signale, odnosno da se sustav može prilagoditi signalima različitih rezonantnih frekvencija unutar određenog frekvencijskog područja.

 

3. Analiza indeksa uspješnosti

Prije svega, pod uvjetom visokofrekventnog točnog prijenosa informacija, udaljenost širenja ovog sustava je veća od 100 m na 150 kHz, što daleko premašuje udaljenost podvodne akustične komunikacije od manje od 100 metara koju postižu mnogi podvodni komunikacijski sustavi nauštrb kvalitete prijenosa signala. Drugo, u pogledu performansi propusnosti prijenosa informacija, u usporedbi s mnogim podvodnim akustičnim komunikacijskim sustavima s propusnošću od oko 200 Hz na tržištu, propusnost prijenosa ovog sustava može doseći 1,71 kHz, čime se uvelike izbjegava izobličenje audio signala tijekom komunikacije. Naposljetku, u smislu kvalitete glasovne komunikacije, jasnoća glasa emitiranog od zadnjeg primatelja koristi se kao mjerni standard. U usporedbi s brojnom opremom za glasovnu komunikaciju u civilnim vodama s velikim šumom i nejasnim signalima, sustav je testiran pod istim uvjetima jezera. Zvuk je čist i stabilan.

 

4 Zaključak

Ovaj članak dizajnira skup podvodnih akustičnih komunikacijskih krugova koji se temelje na praktičnoj primjeni komunikacije od točke do točke i podvodne akustične komunikacije. Prije svega, na temelju relevantnih teorija dizajna pretvornika i rezultata laboratorija, struktura pretvornika simulirana je ANSYS softverom za simulaciju konačnih elemenata, a metoda rezanja i punjenja izvodi se korištenjem visokoučinkovitog osjetljivog materijala PZT5-A kao piezoelektrične keramičke funkcionalne faze materijala, epoksidna smola 618 je polimerna faza, ispunjava prazninu piezoelektr. stup za izradu jednosmjernog piezoelektričnog kompozitnog hidroakustičnog planarnog pretvornika tipa 1-3. Zatim je proizvedeni pretvarač korišten u komunikacijskom sustavu, a razvijen je podvodni akustični komunikacijski krug sa stabilnom strukturom i jasnom komunikacijom. Ovaj sklop može ostvariti učinkovitu podvodnu komunikaciju, a zbog dizajna sklopa za modulaciju i demodulaciju i podesive frekvencije nosivog signala, sklop se također može uskladiti s ultrazvučnom sondom kako bi se ostvarile funkcije otkrivanja nedostataka na velikim udaljenostima i mjerenja udaljenosti.