Desain, Pengembangan dan Penerapan Transduser Akustik Bawah Air Gabungan Broadband

perkenalan

 

Laut tidak hanya merupakan harta karun perikanan dan sumber daya mineral yang penting, namun juga mempunyai posisi penting bagi negara-negara dalam menjaga keamanan nasional dan perjuangan militer. Oleh karena itu, teknologi akustik bawah air telah menjadi sarana penting untuk eksplorasi dan pengembangan sumber daya kelautan saat ini, komunikasi bawah air dan navigasi kapal, deteksi dan pengenalan target bawah air, serta pemantauan lingkungan laut dan prakiraan bencana alam. Itu transduser akustik bawah air adalah pembawa emisi dan penerimaan gelombang suara dalam teknologi akustik bawah air, dan tingkat teknisnya secara langsung mempengaruhi atau bahkan menentukan efek realisasi akhir dari teknologi akustik bawah air. Deteksi sonar aktif dan eksplorasi sumber daya kelautan memerlukan transduser dengan frekuensi rendah, daya tinggi, dan ukuran kecil. Simulasi kebisingan dan kalibrasi sonar memerlukan transduser akustik bawah air dengan frekuensi sangat rendah dan karakteristik pita lebar ultra. Dalam bidang komunikasi akustik bawah air, transduser akustik bawah air dituntut memiliki karakteristik efisiensi tinggi, ultra-wideband, sensitivitas tinggi, dan flat in-band. Secara umum, transduser akustik bawah air berkembang ke arah frekuensi rendah, broadband, daya tinggi, ukuran kecil dan perairan dalam. Transduser perairan dalam mengadopsi metode pembilasan internal untuk bekerja pada kedalaman hingga 11.000m, dan menggunakan sambungan rongga oli internal dan bagian struktural untuk membentuk getaran multi-mode, yang memperluas pita frekuensi transduser. Rongga multi-resonansi dibentuk dengan meluapnya tabung bundar dengan ukuran berbeda, dan frekuensi kerja dapat disesuaikan dengan mengubah ukuran tabung bundar untuk mendapatkan transduser yang lebih lebar.

 

Bandwidth rentang frekuensi adalah 200Hz~2kHz. Diameter transduser hidrofon bawah air adalah 250mm dan panjangnya 500mm. Pita cakupannya adalah 7~15kHz, tingkat sumber suara adalah 200dB, sensitivitas penerimaannya adalah -176dB, dan kedalaman bawah air yang berfungsi adalah 11000m. Transduser yang dikembangkan baru-baru ini memiliki ukuran diameter 240mm, panjang 420mm, pita frekuensi cakupan 1,8 ～ 8.0kHz, respons transmisi 144dB, dan fluktuasi dalam pita kurang dari 6dB. Singkatnya, transduser akustik bawah air di luar negeri telah mencakup seluruh pita frekuensi kerja, bahkan mencakup seluruh wilayah perairan, dan telah membentuk skala tertentu dalam bidang teknik, serialisasi, dan generalisasi, yang mewakili tingkat industri yang maju. Lembaga penelitian dalam negeri dan unit terkait lainnya telah banyak melakukan penelitian dan eksperimen, dan telah mencapai hasil tertentu. Namun, masih terdapat kesenjangan tertentu dalam teknologi utama dan teknologi pemrosesan transduser akustik bawah air dibandingkan dengan negara asing, terutama pada tahun. Persyaratan yang semakin meningkat untuk pita lebar ultra, ukuran kecil, dan kinerja tinggi dalam deteksi akustik bawah air memerlukan penelitian mendalam. Persyaratan pengembangan.Dengan berkembangnya teknologi pengurangan kebisingan kapal di berbagai negara, tingkat kebisingan kapal dan target bawah air secara bertahap dikurangi. Senjata dan peralatan bawah air seperti torpedo sebagian besar menggunakan transduser akustik bawah air broadband untuk memperluas jangkauan deteksi dan meningkatkan akustik bawah air yang kompleks. Kemampuan deteksi dan akurasi pukulan di bawah latar gema meningkatkan kemampuan pengenalan target bawah air. Selain itu, sebagai tanggapan terhadap berbagai angkatan laut, badan intelijen, entitas ekonomi, dan bahkan organisasi teroris internasional, Dalam pengerahan pasukan katak, kendaraan bawah air otonom (AUV), dan kapal selam mikro untuk pengintaian, sabotase, ledakan, dan operasi peletakan ranjau sering kali dilakukan dalam operasi skala kecil. Kapal selam tak berawak (ROV) yang dikendalikan dari jarak jauh dan kendaraan bawah air lainnya dilengkapi dengan berbagai peralatan deteksi untuk perlindungan keselamatan, dan persyaratan khusus diajukan untuk indikator teknis utama sonarnya. Dalam makalah ini, yang bertujuan untuk memenuhi persyaratan deteksi akustik gelembung bangun kapal permukaan, sebuah model dirancang dan dikembangkan dengan fungsi penerimaan dan transmisi pita lebar ultra 3 ～ 100kHz, yang dapat melakukan pengukuran akustik bawah air waktu nyata dari gelembung bangun kapal pada sudut bukaan yang besar, dan mensyaratkan bahwa fungsi penerimaan dan pengiriman tidak bergantung satu sama lain. Dan dapat dikontrol, struktur keseluruhan harus kompak, ukuran fisiknya kecil, dan mudah dipasang serta digunakan pada ROM kecil. Mempertimbangkan persyaratan aktual dan kondisi kerja aktual, indikator teknis utama transduser yang dijelaskan dalam artikel ini adalah sebagai berikut: 1) Frekuensi transmisi adalah 3~100kHz, dan frekuensi penerimaan adalah 1~100kHz. 2) Tingkat sumber suara emisi ≥ 189dB. 3) Sensitivitas penerimaan ≥ -180dB. 4) Fluktuasi dalam pita ≤ 6dB. 5) Lebar pancaran (horizontal) ≥ 90° (-3dB). 6) Lebar pancaran (vertikal) ≥ 70° (-3dB). 7) Kedalaman air kerja ≥ 500m. 8) Dimensi ≤ 350mm × 150mm × 250mm. 9) Massa ≤ 10kg. Diantaranya, ROV merupakan struktur deteksi yang kecil, dan daya dukungnya terbatas, sehingga transduser harus sekecil mungkin, ringan, dan mudah diterapkan dengan alasan memenuhi indikator kinerja.

 

2 Desain dan pengembangan transduser

 

2.1 Desain transduser dan analisis simulasi

Itu transduser silinder bawah air termasuk dalam struktur penerimaan dan transmisi yang terpisah. Ujung transmisi diwujudkan dengan menggunakan tiga transduser transmisi struktur batang komposit, dan pita frekuensi yang sesuai adalah 3 ～ 18kHz, 18 ～ 45kHz, 45 ～ 100kHz; ujung penerima diwujudkan dengan menggunakan 2 hidrofon seri cincin keramik piezoelektrik, dan pita frekuensi masing-masing adalah 1-40kHz, 40-100kHz. Basis transduser pemancar dan penerima yang disebutkan di atas dikemas secara keseluruhan, dan penyekat anti-akustik dirancang di dalamnya. Setelah paket diintegrasikan, massa totalnya sekitar 9kg. Bentuk keseluruhan transduser adalah berbentuk kubus tidak beraturan. Ukuran dasarnya sekitar 310mm × 150mm × 220mm. Tampilannya ditunjukkan pada Gambar 1. Kabel utama dapat dihubungkan ke peralatan elektronik sonar eksternal dalam bentuk konektor.

 

Bertujuan pada persyaratan indeks teknis utama transduser akustik bawah air dalam artikel ini, dikombinasikan dengan skema desain di atas, analisis simulasi kinerja transmisi dan penerimaannya dilakukan. Karena struktur kompleks transduser yang dirancang dalam makalah ini dan cakupan pita frekuensi yang lebar, metode analisis teoritis tidak cocok untuk perhitungan dan simulasi. Seperti kita ketahui bersama, metode elemen hingga merupakan metode simulasi numerik yang banyak digunakan dalam praktik teknik saat ini. Gunakan perangkat lunak ANSYS untuk mensimulasikan area perairan bebas dan membuat model transduser yang disederhanakan. Pilih titik di unit medan jauh tepat di depan penutup depan untuk menghitung tekanan suara, dan kemudian respons tegangan pancar transduser dapat dikonversi. Pada unit medan jauh, pilih tekanan suara di setiap arah pada jarak tertentu di sepanjang pusat transduser untuk menghitung sudut terbuka direktivitas emisi transduser. Karena transduser batang komposit memiliki simetri aksial, model elemen hingga transduser aksisimetris 2D dipilih untuk analisis elemen hingga. Saat menggunakan perhitungan ANSYS, pengaruh air pada transduser perlu diperhitungkan. Biasanya efek yang setara adalah polo air, dan kemudian beban diterapkan untuk menghitung solusinya. Model transduser di dalam air ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3.

 

Dapat dilihat dari Gambar 2 dan 3 bahwa transduser transmisi dirancang dengan broadband puncak resonansi ganda. Frekuensi resonansi unit 3~18kHz dari transduser pemancar adalah 5kHz, 14kHz, dan frekuensi resonansi unit 18~45kHz adalah 20kHz, 40kHz, dan frekuensi resonansi 45~100kHz, 55k. Unit hidrofon penerima 1-40kHz menggunakan cincin piezoelektrik, dan frekuensi resonansi cincin tunggal lebih besar dari 40kHz untuk memastikan pita frekuensi kerja yang datar. Struktur internal dua seri dan dua paralel meningkatkan sensitivitas dan stabilitas; unit hidrofon penerima 40-100kHz menggunakan bahan Komposit piezoelektrik, frekuensi resonansi lebih besar dari 100kHz untuk memastikan kerataan pita. Dalam tulisan ini, persamaan elemen hingga yang digunakan adalah MU ¨ + CU · +KU = F (1) dimana: M adalah matriks massa; C adalah matriks redaman; K adalah matriks kekakuan; U adalah vektor perpindahan nodal; F adalah vektor beban. Tingkat respon tegangan emisi TVR adalah TVR = 20lg p RV + 120 (2) dimana: p adalah tekanan suara dari node; R adalah jarak dari node ke pusat ekuivalen sumber bunyi; V adalah tegangan yang diberikan. Ekstrak tekanan suara p dari node pada sumbu akustik di ANSYS, dan hitung kurva respons emisi transduser. Dalam desain sebenarnya, bagian transmisi transduser akustik bawah air terdiri dari tiga jenis transduser transmisi batang komposit, yang mewujudkan emisi arah broadband dan menekan radiasi belakang pada saat yang bersamaan. Transduser transmisi mencakup rentang frekuensi yang luas dan terutama digunakan untuk pengukuran akustik bawah air. Ini harus memiliki kerataan in-band yang baik untuk memastikan keakuratan pengukuran akustik bawah air. Dalam bidang teknik, metode seperti mengoptimalkan ukuran kepala pancaran transduser, atau mengontrol optimasi fase untuk mengurangi fluktuasi pita, dan resistansi seri pada tumpukan keramik piezoelektrik sebelum dan sesudah transduser emisi resonansi ganda (atau 'eksitasi ganda') sering digunakan. , Untuk lebih mengurangi fluktuasi respon tegangan pancar transduser pada pita frekuensi kerja. Makalah ini mempertimbangkan ukuran dan kualitas transduser yang dipasang pada ROM kecil, serta struktur instalasi keseluruhan, dan terutama mengadopsi metode literatur untuk menekan fluktuasi in-band dari transduser transmisi, yaitu metode penyesuaian resistansi resistor yang cocok. Dengan asumsi bahwa resistansi seri tumpukan keramik piezoelektrik depan dan belakang di dalam transduser transmisi masing-masing adalah R1 dan R2, nilai resistansi R1 dan R2 disesuaikan untuk mengontrol kerataan transduser transmisi dalam pita. Melalui analisis elemen hingga, respons emisi transduser transmisi pada nilai resistansi yang berbeda disimulasikan. Mengambil contoh transduser transmisi resonansi ganda 18~45kHz yang dirancang, analisis simulasi menunjukkan bahwa respons transmisi bervariasi dengan kurva nilai resistansi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat dilihat dari gambar bahwa penyesuaian R1 dan R2 pada dasarnya dapat mengontrol kerataan pita frekuensi transduser transmisi. Dengan mengoptimalkan resistansi R1 dan R2, dapat disimpulkan bahwa ketika R1=940 Ω , R2=330 Ω , kerataan in-bandnya lebih baik. (Ditunjukkan oleh garis putus-putus pada Gambar 4), dan respons emisi in-band secara keseluruhan tidak banyak berubah,

 

Ini dapat memenuhi persyaratan desain, dikombinasikan dengan ukuran fisik aktual dan pencocokan impedansi broadband, simulasi komprehensif dapat memperoleh hasil simulasi respons tegangan pemancar 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz dan 45 ~ 100kHz, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5-7. Hal ini dapat dilihat dari Gambar. 5-7 bahwa respons tegangan pemancar transduser tidak kurang dari 140dB pada pita frekuensi, yang memenuhi persyaratan indikator teknis terkait masukan desain, dan dapat memberikan tingkat sumber suara yang lebih besar untuk deteksi akustik bawah air jarak jauh.

Bagian penerima transduser hidroakustik diwujudkan dengan kombinasi dua set susunan hidrofon, yang masing-masing mengadopsi sambungan seri dan paralel cincin keramik piezoelektrik untuk mencapai penerimaan terarah. Diantaranya, hidrofon pita frekuensi 1-40kHz dibuat dalam bentuk dua cincin keramik piezoelektrik yang dihubungkan secara seri. Sensitivitas hidrofon tunggal tidak kurang dari -193dB, dan sensitivitas hidrofon setelah sambungan seri tidak kurang dari -178dB. Hasil analisis simulasi sensitivitas ditunjukkan pada Gambar 8. Hidrofon tidak memiliki directivity horizontal (directivity baffle-adjustable dapat diterapkan), dan directivity vertikal 3kHz sekitar 130 ° . Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 9. Directivity vertikal 40kHz adalah sekitar 73 ° , dan hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 

 

 

11. Bagian penerima hidrofon pada pita frekuensi 40~100kHz mengadopsi dua struktur seri cincin keramik piezoelektrik. Frekuensi kerja dapat memenuhi penggunaan 40~100kHz, tetapi sensitivitasnya rendah. Setelah sambungan seri, sensitivitas hidrofon tidak kurang dari -180dB. Hasil simulasi sensitivitas adalah sebagai berikut Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11. Level hidrofon tidak memiliki directivity (dapat diterapkan penyekat untuk mengatur directivity), dan directivity vertikal pada 100kHz adalah sekitar 77 ° . Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 12

Menurut analisis simulasi berdasarkan metode elemen hingga, transduser gabungan yang dirancang dalam makalah ini dapat memenuhi persyaratan input desain dalam hal transmisi dan penerimaan, dan indikator teknis utama terpenuhi.

 

 2.2 Pengembangan transduser

Broadband digabungkan transduser akustik bawah air berbentuk bola dipasang pada ROM kecil untuk digunakan. Atas dasar memenuhi kebutuhan deteksi akustik broadband, ia berfokus pada ukuran kecil dan desain ringan. Dalam makalah ini, dikombinasikan dengan desain struktur keseluruhan ROM kecil, transduser akhir yang dikembangkan ditunjukkan pada Gambar 13. Struktur desain spesifik ditunjukkan pada Gambar 14. Transduser akustik bawah air gabungan broadband yang dirancang dan dikembangkan dalam makalah ini mencakup rentang frekuensi transmisi 3~100kHz, pita frekuensi penerima 1~100kHz, dan massa total benda fisik adalah 9,4kg (di udara, termasuk braket dan kabel sambungan), ukurannya adalah 328.5mm × 140mm × 240mm, yang lebih kecil dari persyaratan ukuran dan kualitas dalam input desain, sehingga mengurangi persyaratan kapasitas pembawa ROM. Transduser dicocokkan dan dipasang pada badan ROM, dan objek sebenarnya setelah pemasangan ditunjukkan pada Gambar 15. Hasil analisis simulasi dapat digunakan sebagai masukan referensi desain, namun pada proses pengembangan dan debugging aktual berikutnya, perlu disesuaikan dengan situasi pengukuran aktual untuk memenuhi persyaratan penggunaan sebenarnya.

 

3 Tes eksperimen

Bagian transmisi dari transduser akustik bawah air gabungan broadband mengadopsi 3 unit vertikal untuk membentuk pita frekuensi kerja yang mencakup 3~100kHz, dan bagian penerima mengadopsi 2 unit independen untuk membentuk pita frekuensi kerja yang mencakup 1~100kHz. Tata letak keseluruhan transmisi di kedua ujung dan penerimaan di tengah diadopsi untuk memastikan sudut pembukaan transduser. Penyekat anti-akustik dirancang di dalam transduser untuk mengurangi refleksi internal dan superposisi sinyal akustik. Pada saat yang sama, mekanisme pendukung yang dapat disesuaikan diadopsi di bagian penerima, dan ketinggian transduser penerima disesuaikan secara terbatas sesuai dengan situasi pengujian sebenarnya untuk lebih memperluas sudut bukaan penerima guna menghindari oklusi dan pantulan cangkang transduser dan badan ROV. Setelah pengembangan selesai, untuk mendapatkan lebih lanjut kinerja kerja transduser yang sebenarnya, yang berbeda dengan metode pengujian transceiver independen yang biasa digunakan di laboratorium, uji indeks kinerja akustik keseluruhan transduser digunakan di sini. Artinya, setelah keseluruhan dipasang pada ROV, uji tangki transduser dilakukan dalam simulasi kondisi kerja sebenarnya untuk memastikan lebih lanjut bahwa transduser dipasang pada ROV dan dipengaruhi oleh struktur ROV, sehingga diperoleh kondisi kerja transduser yang sebenarnya. Parameter kinerja nyata. Tes komprehensif dilakukan di kolam anechoic untuk memverifikasi realisasi indikator kinerjanya. Kondisi pengujian kolam air anechoic. suhu ruangan sekitar 25 ℃ , panjang kabel uji 3 m, kedalaman air 3 m, suhu air sekitar 20 ℃ , resistansi isolasi 500 M Ω , kapasitansi statis 51.000 pF, dan jarak pengujian 6,2 m. Hasil pengukuran sebenarnya ditunjukkan pada Gambar 16

 

 

ROV digunakan untuk memasang transduser akustik bawah air gabungan broadband untuk melakukan deteksi akustik bawah air broadband dari gelembung bangun kapal permukaan, dan mendapatkan karakteristik akustik yang relevan dari gelembung bangun dan ukuran fisik bangun. Dalam uji danau khusus, kapal permukaan digunakan untuk melakukan navigasi langsung berkecepatan tinggi di permukaan air. Kapal tersebut memiliki panjang 7,5m, lebar 3m, dan draft 0,35m. Baling-baling mesin eksternal berada 0,8 m di bawah air. Daerah perairan uji merupakan daerah terbuka berupa danau, kedalaman rata-rata daerah tersebut adalah 35m, dan kecepatan kapal saat melewati titik pengukuran adalah 10 knot. ROV dilengkapi dengan transduser akustik bawah air gabungan broadband dalam artikel ini untuk pengukuran berkelanjutan. Dalam pengukuran berulang, kombinasi frekuensi akustik yang berbeda digunakan untuk deteksi, dan diperoleh hasil pengukuran distribusi bangun gelembung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar

 

 

Terlihat dari Gambar 18 bahwa sebenarnya pengukuran ukuran gelembung bangun kapal terkonsentrasi pada kepadatan tinggi 10-20 μm . Hasil pengukuran konsisten dengan kepadatan bilangan gelembung tertinggi yang diberikan oleh literatur dengan radius 10-20 μm , yang membuktikan bahwa transduser. Perangkat memenuhi persyaratan pengujian di lingkungan kerja sebenarnya. Pada saat yang sama, transduser digunakan untuk terus mengukur lapisan gelembung bangun yang terbentuk setelah kapal permukaan berlayar, dan berdasarkan informasi intensitas target akustik gelembung bangun yang diperoleh, dikombinasikan dengan lingkungan akustik bawah air saat ini (seperti kecepatan suara, kedalaman air, dll.) dan data sebelumnya (seperti sensitivitas transduser, penguatan sirkuit tingkat sumber suara emisi, dll.), diperkirakan sesuai dengan algoritma pemrosesan yang sesuai, dan diperoleh kurva kekuatan gelembung dengan kedalaman dan waktu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19. Dapat dilihat dari Gambar 19 bahwa bangun durasi gelembung adalah sekitar 173 detik, dan ketebalan gelembung bangun tengah yang sebenarnya diukur adalah 1,46 m, yang pada dasarnya konsisten dengan rumus empiris yang diberikan oleh rumus perhitungan bangun konvensional. Singkatnya, melalui pengujian pengukuran keseluruhan pada kumpulan anechoic, hasil pengukuran menunjukkan bahwa kinerja transduser sebenarnya pada dasarnya konsisten dengan hasil simulasi. Itu dipasang pada platform ROV dan diverifikasi oleh tes navigasi sebenarnya di danau. Hasil pengujian menunjukkan bahwa transduser mencakup pita frekuensi yang lebar, memiliki struktur yang kecil, dan hasil pengukuran pada dasarnya sesuai dengan rumus empiris. Data pengukurannya kredibel dan dapat memenuhi persyaratan gelembung bangun kapal permukaan.

 

 4 Kesimpulan

 

 Makalah ini mengusulkan metode desain transduser terintegrasi gabungan, dengan pita frekuensi operasi broadband frekuensi rendah hingga frekuensi tinggi, yang dicirikan bahwa ujung transmisi dapat mencakup 3~100kHz, ujung penerima mencakup 1~100kHz, dan sudut bukaan tidak kurang dari 70 ° ; Mengadopsi tata letak transceiver terpisah, mentransmisikan di kedua ujungnya, menerima terkonsentrasi di tengah, desain struktur penyekat akustik internal; komponen internal transduser terintegrasi dan dikeluarkan melalui konektor kedap air, sehingga mengurangi kerumitan koneksi eksternal; Melalui struktur pendukung pusat transduser, pusat gravitasi transduser secara keseluruhan dapat disesuaikan, sehingga memudahkan adaptasi dan pemasangan kendaraan bawah air kecil seperti ROV; tata letak transduser yang terbuka, penahan beban mekanis melalui penyangga logam, mengurangi keseluruhan transduser. Kualitas dan ukuran perangkat meningkatkan kesesuaian. Transduser ini memiliki keunggulan pita frekuensi kerja yang lebar, sudut bukaan yang lebih besar, dan bobot yang lebih ringan dalam batasan ukuran yang kecil. Ini telah berhasil diterapkan pada ROM kecil, yang memecahkan masalah pengujian akustik bawah air ultra-wideband pada platform ROM kecil. Memiliki nilai militer dan sipil yang tinggi.