Desain sirkuit penggerak dan penerima berdasarkan transduser akustik bawah air

Mulai dari kebutuhan komunikasi kapal selam militer dan komunikasi sipil bawah air, planar satu arah transduser hidroakustik bawah air dengan frekuensi resonansi 150 kHz dibuat, dan sirkuit penggerak pemancar dan penerima transduser dirancang berdasarkan prinsip komunikasi point-to-point. Transduser akustik bawah air ditempatkan di area perairan dan dihubungkan ke sirkuit untuk mewujudkan fungsi komunikasi bawah air jarak jauh. Sirkuit ini diuji pada platform eksperimental yang dirancang sendiri. Hasil pengujian menunjukkan bahwa transduser fabrikasi memiliki respon dan sensitivitas tegangan emisi yang lebih tinggi, directivity tunggal, dan rangkaian komunikasi akustik bawah air memiliki frekuensi yang dapat disesuaikan, serta komunikasi yang jelas dan stabil. Sirkuit komunikasi akustik bawah air dapat digunakan untuk komunikasi militer dan sipil, dan mudah dipindahkan dan dibawa, serta mudah untuk di-debug. Karena penyerapan gelombang elektromagnetik, gelombang cahaya dan bentuk energi lainnya oleh air laut dan keberadaan 'zona konvergensi' laut dalam, gelombang suara saat ini merupakan satu-satunya bentuk energi yang diketahui dapat mengirimkan sinyal secara nirkabel melalui jarak jauh di bawah air. Gelombang bunyi yang frekuensi getarnya di atas 20 kHz disebut gelombang ultrasonik. Dibandingkan dengan gelombang suara biasa, gelombang ultrasonik memiliki directivity yang lebih baik, daya tembus yang lebih kuat, dan kinerja refleksi yang lebih baik. Oleh karena itu, mereka banyak digunakan dalam transmisi informasi, deteksi kerusakan, pengujian jarak jauh, dan bidang medis dan kesehatan. Namun dalam proses perambatannya, kehilangan energi gelombang suara di saluran air semakin meningkat seiring dengan bertambahnya frekuensi, sehingga bandwidth saluran air yang tersedia menjadi sempit dan kapasitas informasi menjadi kecil. Oleh karena itu, kinerja rangkaian penggerak pemancar dan penerima memainkan peran penting dalam kualitas komunikasi akustik bawah air. Pada abad terakhir, Perusahaan Produk Akustik Harris AS, Prancis, dan Inggris mengembangkan komunikator hidroakustik yang cocok untuk komunikasi kapal bawah air. Mereka menggunakan modulasi single-sideband dan menggunakan hidrofon bervolume besar sebagai “jendela” untuk transmisi dan penerimaan sinyal. , Untuk mencapai jarak komunikasi bawah air tertentu, tetapi peralatannya rumit, transdusernya besar dan pengarahannya tidak cukup tajam, tidak cocok untuk penggunaan sipil; Dirangkai menjadi sistem komunikasi analog berdasarkan perangkat lunak pengolah sinyal Linux, pada simulator saluran Komunikasi jarak jauh diwujudkan, tetapi saluran desain yang ideal berbeda dengan saluran air sebenarnya; yang lain telah membangun sistem komunikasi bawah air berdasarkan spektrum penyebaran urutan pemetaan gabungan paralel, menggunakan chip DSP sebagai modul pemrosesan informasi, sehingga mewujudkan transmisi informasi berkecepatan tinggi antar platform yang tersembunyi di bawah air. Namun, pengatur waktu 555 secara tradisional digunakan untuk menghasilkan gelombang pembawa dengan frekuensi getaran tertentu untuk menggerakkan sirkuit penggerak transduser, dan stabilitas frekuensi bentuk gelombang yang dihasilkan relatif buruk; dan teknologi pemrosesan chip DSP yang baru-baru ini muncul memiliki algoritma yang kompleks dan perlu dilakukan untuk perairan yang berbeda. Modifikasi perhitungan dan kompensasi yang rumit tidak cocok untuk promosi besar-besaran di bidang sipil. Selain itu, probe yang digunakan pada perangkat transceiver sinyal rangkaian komunikasi yang telah dikembangkan kurang tajam, daya tidak terkonsentrasi, dan bandwidth yang relatif sempit, sehingga tidak kondusif untuk transmisi dan penerimaan sinyal. Namun, sebagian besar transceiver ultrasonik tidak cocok untuk pengoperasian saluran air dan tidak dapat memenuhi kebutuhan sipil dan militer yang sebenarnya.

 

1) Berdasarkan volume kecil transduser akustik bawah air searah , makalah ini menggunakan modulasi pita sisi ganda dan metode demodulasi koheren untuk mengembangkan sirkuit penggerak pemancar dan penerima yang cocok untuk komunikasi bawah air. Sirkuit komunikasi akustik bawah air memiliki pemanfaatan pita frekuensi tinggi dan frekuensi yang dapat disesuaikan, cocok untuk 0 kHz ~ 12. Transduser rentang frekuensi 5 MHz memiliki jarak komunikasi hingga 100 meter. Rangkaian pemancar dan penggerak, rangkaian penerima dan penggerak, serta transduser pemancar dan hidrofon dalam rangkaian bersama-sama membentuk satu set sistem komunikasi hidroakustik. Sistem ini menggunakan pemancar dan hidrofon sebagai 'jendela' untuk pertukaran sinyal, menggunakan STM32F103RCT6 dan AD9833 sebagai sumber sinyal pembawa, dan menggabungkan komponen modem yang relevan untuk akhirnya mencapai komunikasi yang stabil dan jelas.

 

1 Produksi transduser

 

Material komposit piezoelektrik 1-3 mengacu pada material yang dibentuk oleh kolom keramik piezoelektrik terhubung satu dimensi yang disusun secara paralel dalam polimer terhubung tiga dimensi. Dibandingkan dengan bahan piezoelektrik keramik murni 1-3 bahan komposit piezoelektrik, bahan ini memiliki efek yang lebih baik dalam deteksi kerusakan dan produksi transduser pemancar dan penerima. Oleh karena itu, modul transceiver gelombang akustik sistem ini mengadopsi transduser ultrasonik planar yang terbuat dari 1-3 bahan komposit piezoelektrik yang dikembangkan di laboratorium, yang terdiri dari 1-3 elemen sensitif planar komposit piezoelektrik, lapisan permeabel suara kedap air, timah elektroda, dan kaku Terdiri dari busa dan penutup logam berkualitas tinggi. Sebelum membuat transduser, perlu menggunakan software simulasi elemen hingga ANSYS untuk arsitektur model dan perhitungan simulasi.

 

Simulasi 1-3 sensor komposit piezoelektrik

 

Dalam perangkat lunak simulasi elemen hingga ANSYS, pertama-tama atur jenis satuan, massa jenis, rasio Poisson, dan modulus Young resin epoksi, serta atur massa jenis, matriks kekakuan, matriks konstanta dielektrik, dan matriks piezoelektrik keramik piezoelektrik. Kedua, atur struktur model material komposit piezoelektrik 1-3: bidang dengan panjang 100 mm, lebar 100 mm, dan tebal 10 mm, lebar fasa polimer 0,28 mm, lebar kolom keramik piezoelektrik 1,44 mm, dan tinggi 10 mm. Dengan cara ini, fraksi volume kolom kecil keramik piezoelektrik PZT pada material komposit adalah 51,84%. Karena model material komposit 1-3 mengandung material dua fase, maka jumlah perhitungannya besar ketika perhitungan simulasi dilakukan. Untuk mengurangi jumlah perhitungan, satu unit material komposit piezoelektrik 1-3 dipilih untuk perhitungan simulasi. Diagram struktur model material komposit piezoelektrik 1-3 dan diagram tiga dimensi kolom keramik piezoelektrik adalah sebagai berikut:

Elemen material komposit piezoelektrik tipe 1-3 disatukan, dan kondisi batas simetri ditambahkan ke batas di sekitar sumbu Z (panjang) elemen, dan tegangan 1 V ditambahkan ke permukaan atas keramik piezoelektrik dalam arah positif sumbu Z, Z = 0 Tambahkan tegangan 0 V ke permukaan bawah. Atur jenis analisis frekuensi dan pilih rentang analisis frekuensi (50 ~ 250 kHz) dan jumlah langkah), lalu selesaikan dan pasca-proses, penerimaan yang diperoleh Diagram ditunjukkan pada Gambar 2. Terlihat dari Gambar 2 bahwa transduser memenuhi persyaratan frekuensi, dan komponen sensitif dapat dibuat sesuai dengan parameter yang ditetapkan.

 

Sensor komposit piezoelektrik tipe 1-3 terbuat dari balok keramik piezoelektrik dengan ukuran panjang 100 mm, lebar 100 mm, dan tebal 10 mm. Potong arah panjang dan lebar sesuai desain model, lalu masukkan resin epoksi 618. Setelah didiamkan selama 24 jam, lakukan pemotongan yang sama pada sisi sebaliknya untuk memoles kelebihan resin epoksi searah ketebalan hingga menjadi tipe 1-3. Bahan komposit piezoelektrik. Gunakan alkohol untuk membersihkan permukaan material komposit, dan oleskan pasta perak untuk mengkompensasi kerusakan elektroda dengan memoles resin epoksi, dan terakhir buat elemen sensitif material komposit piezoelektrik 1-3. Gunakan penganalisis impedansi Agilent 4294A untuk menguji komponen sensitif. Hasil pengujian menunjukkan bandwidth sensor material komposit piezoelektrik tipe 1-3 adalah 1 pada frekuensi resonansi 151 kHz. 71 kHz, impedansi akustik 17.47 Pa·s/m3, nilai konduktivitas 104.6 mS, koefisien kopling elektromekanis 0.68. Faktor kualitas mekanik 88. 18. Hasil pengujian bahan sensitif baik.

 

1.3 Pembuatan planar searah frekuensi tinggi transduser hidro-akustik bawah air Tambahkan grafit ke poliuretan yang komponen utamanya adalah resin epoksi dan aduk untuk membuat lapisan permeabel suara kedap air yang diperlukan, dan buat cetakan sesuai dengan ukuran transduser untuk penuangan dan penyegelan, Dan terakhir buat transduser akustik bawah air planar searah frekuensi tinggi.

 

1. 4 Uji kinerja transduser

Pengujian kinerja transduser terutama mencakup pengukuran respons tegangan transmisi, sensitivitas penerimaan, dan kinerja pengarahan. Mengukur directivity suatu transduser biasanya digunakan untuk menggambar pola directivity-nya. Selama pengukuran, transduser yang diuji diputar untuk mencapai tujuan mengukur respon pengiriman atau sensitivitas penerimaan transduser dengan sudut azimut, dan kemudian pola arah transduser diperoleh setelah konversi.

 

2 Desain sirkuit

 

Mengingat metode komunikasi point-to-point dan tingkat pemanfaatan daya, artikel ini mengadopsi modulasi sinyal double-sideband (DSB) dan demodulasi koheren. Prinsip modulasi ditunjukkan pada persamaan (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Prinsip demodulasi ditunjukkan pada persamaan (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Dimana: uDSB adalah sinyal termodulasi; uc (t) adalah sinyal termodulasi; uΩ (t) adalah sinyal pembawa. Fungsi penting dari rangkaian modulasi DSB adalah pengali, yang menggunakan sinyal pembawa untuk mentransfer informasi yang dibawa oleh sinyal baseband. Selama demodulasi, sinyal termodulasi dikalikan dengan pembawa frekuensi dan fase yang sama, dan kemudian dilewatkan melalui filter band-pass untuk mendapatkan sinyal asli. Perangkat konversi energi yang diperlukan untuk transmisi sinyal mengadopsi transduser ultrasonik planar yang dibuat dalam artikel ini. Prinsip sistem rangkaian penggerak pengirim dan penerima ditunjukkan.

 

2. 1 modul sirkuit

Komputer mikro chip tunggal STM32F103RC menggunakan inti Cortex-M3, dan kecepatan CPU maksimumnya adalah 72 MHz. Dibandingkan dengan mikrokomputer chip tunggal model 51 dan 52, kecepatan eksekusi instruksi lebih cepat, volume lebih kecil, dan integrasinya mudah. AD9833 adalah konsumsi daya yang rendah,

modul pembangkit sinyal yang dapat diprogram, yang dapat diprogram untuk menghasilkan gelombang sinus, persegi, dan segitiga dalam rentang frekuensi tertentu. Port FSYNC di dalamnya adalah port pemicu level input, yang berfungsi sebagai sinkronisasi frame dan mengaktifkan sinyal. Ketika FSYNC rendah, data dapat ditransfer. Selain itu, AD9833 memiliki register kontrol 16-bit. Dengan memprogram register kontrol, AD9833 dapat bekerja dalam keadaan yang dibutuhkan oleh pengguna. Menggunakan komputer mikro chip tunggal model STM32F103RC untuk mengontrol modul pembangkit sinyal AD9833 menghasilkan lebih sedikit distorsi gelombang sinus. Sirkuit ini didukung oleh modul catu daya switching TPS5430, yang dapat memberikan tegangan stabil 5 V dan 12 V, menghindari distorsi dan penundaan transmisi sinyal.

 

Ketika sinyal audio eksternal memasuki sirkuit penggerak, sinyal tersebut dikalikan dengan gelombang sinus 150 kHz yang dihasilkan oleh modul pembangkitan pembawa dalam modul pengali AD835 (langkah modulasi pita sisi ganda), dan kemudian filter band-pass menyaring sebagian kebisingan dari sinyal keluaran pengali. Sinyal yang dihasilkan diperkuat oleh power amplifier kemudian dihubungkan ke transduser pemancar, dan terakhir transduser pemancar mentransmisikan sinyal tersebut ke dalam air. Modulasi double-sideband dapat memindahkan sinyal baseband ke frekuensi pembawa untuk mencapai multiplexing dan meningkatkan pemanfaatan saluran; kedua, memperluas bandwidth sinyal, meningkatkan kemampuan anti-interferensi sistem, dan meningkatkan rasio signal-to-noise. Pada rangkaian penggerak ini, power amplifier memperkuat sinyal untuk menggerakkan transduser agar bekerja. Sinyal audio eksternal dapat berupa musik yang disalurkan melalui jack earphone perangkat elektronik, seperti ponsel, atau sinyal yang diubah dan dihantarkan oleh suara eksternal melalui modul mikrofon.

 

2. 3 Sirkuit penerimaan dan penggerak

Setelah transduser pemancar mentransmisikan sinyal gelombang suara ke saluran air, rangkaian penggerak penerima yang sesuai diperlukan untuk menerima sinyal di saluran air dan mengembalikan sinyal termodulasi asli. Prinsip kerja rangkaian penggerak penerima dirancang pada artikel ini. Setelah rangkaian penggerak penerima menerima sinyal di saluran, sinyal tersebut dilewatkan ke filter high-pass melalui kabel frekuensi tinggi, dan kebisingan yang dihasilkan oleh rangkaian dan tercampur dalam saluran dihilangkan. Kemudian sinyal ini dan gelombang sinus 150 kHz dikalikan dalam modul pengali AD835. Output dari operasi pengali ditransmisikan ke filter band-pass melalui kabel frekuensi tinggi koaksial, dan sinyal dalam rentang frekuensi yang diperlukan dipilih (langkah demodulasi koheren). Terakhir, modul power amplifier TDA2030A digunakan untuk menggerakkan modul speaker, dan sinyal demodulasi diputar dalam bentuk audio. Dalam sistem ini, baik rangkaian penggerak transmisi maupun rangkaian penggerak penerima perlu menggunakan modul penstabil tegangan TPS5430 untuk memastikan pengoperasian tegangan setiap modul yang stabil dan stabil, dan semua filternya merupakan filter aktif orde ke-4. Gelombang pembawa yang digunakan pada proses modulasi dan demodulasi semuanya mempunyai frekuensi yang sama, yang dihasilkan oleh modul aktif AD9833 setelah diprogram oleh mikrokontroler STM32F103RC.

 

3 Verifikasi eksperimental

3. 1 Verifikasi komunikasi hidroakustik

Untuk memverifikasi fungsi sistem ini, dilakukan uji komunikasi akustik bawah air di sebuah danau dengan radius sekitar 100 m. Mengirimkan transduser pemancar dan transduser penerima

Penerima masing-masing ditempatkan di kedua sisi danau dalam arah diameter, masing-masing terhubung ke sirkuit penggerak transmisi dan sirkuit penggerak penerima. Karena frekuensi suara manusia umumnya berada pada kisaran 8-10 kHz, termasuk banyak komponen nada tambahan, sinyal audio sebuah lagu dipilih secara acak sebagai sinyal modulasi. Sinyal ditampilkan oleh osiloskop, sinyal modulasi audio asli ditunjukkan pada Gambar 7(a), dan keluaran sinyal pembawa 150 kHz oleh AD9833 ditunjukkan pada Gambar 7(b)

Sinyal pembawa dan sinyal modulasi audio dimasukkan ke pengali untuk melakukan modulasi awal. Setelah diukur dengan osiloskop, sinyal keluaran pengali ditunjukkan pada Gambar 8.

Menurut tampilan frekuensi pada Gambar 8, ini sesuai dengan hukum modulasi pita sisi ganda. Sinyal keluaran pengali dimasukkan ke dalam penguat daya melalui kabel koaksial, dan kekuatan sinyal ditingkatkan dalam rentang distorsi yang lebih kecil untuk menggerakkan transduser mengeluarkan sinyal. Transmisi input transduser ditampilkan oleh osiloskop. Sinyal ditunjukkan pada Gambar 9.

Dapat diamati pada Gambar 9 bahwa duri telah hilang, yaitu kebisingan yang dihasilkan oleh rangkaian telah tersaring. Transduser penerima, yaitu hidrofon, menerima sinyal dari saluran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10.

Sinyal yang diterima hidrofon mengandung sinyal audio, noise, dan sebagian sinyal yang ditumpangkan yang disebabkan oleh efek multipath pada saluran, sehingga mengakibatkan gangguan dan tumpang tindih pada beberapa bentuk gelombang sinyal. Setelah sinyal yang diterima disaring oleh filter high-pass untuk menghilangkan kebisingan frekuensi rendah dan sinyal yang ditumpangkan, sinyal tersebut didemodulasi dengan gelombang sinus 150 kHz dalam sistem yang terdiri dari pengali dan filter band-pass untuk mengembalikan sinyal baseband asli, dan speaker digerakkan oleh modul penguat daya TDA2030A. Sinyal audio asli disiarkan tanpa distorsi. Sinyal audio siaran adalah sinyal musik asli. Sinyal audio yang dipulihkan oleh rangkaian penggerak penerima ditunjukkan pada bentuk gelombang bawah Gambar 11.

Gambar 11 menunjukkan perbandingan kedua bentuk gelombang. Bagian atas menunjukkan sinyal yang diterima oleh hidrofon, dan bagian bawah adalah bentuk gelombang sinyal audio yang dipulihkan. Efek restorasi audionya bagus. Bentuk gelombang sinyal audio asli dan sinyal audio yang dipulihkan dibandingkan dan dibandingkan dengan audio asli dan kualitas suara audio sebenarnya. Hasilnya menunjukkan bahwa sistem dapat menggerakkan transduser hidro-akustik planar searah frekuensi tinggi 150 kHz. Sinyal audio dapat ditransmisikan dengan kualitas tinggi, dan audio di akhir siaran jernih dan stabil.

 

3. 2 Verifikasi Penyesuaian Frekuensi

Setelah memverifikasi bahwa sistem dan transduser yang cocok berfungsi dan berfungsi normal, percobaan kedua dilakukan untuk memverifikasi penyesuaian frekuensi sistem. Program modul pembangkit sinyal untuk memodifikasinya agar sesuai dengan transduser 300 kHz yang dibuat di laboratorium. Uji efek transmisi sinyal. Sinyal modulasi audio ditunjukkan pada Gambar 12(a), dan sinyal audio yang baru dipulihkan ditunjukkan pada Gambar 12(b).

Bentuk gelombang sinyal yang terdeteksi oleh osiloskop mewakili sinyal audio yang ditransmisikan. Pada Gambar 12(b), bagian atas adalah sinyal yang diterima oleh hidrofon, dan bagian bawah adalah bentuk gelombang sinyal audio yang dipulihkan. Dengan membandingkan dan menganalisa sinyal audio input dan output sistem, terlihat bahwa sistem dapat mengirimkan sinyal audio dengan kualitas yang tinggi, yaitu sistem dapat beradaptasi dengan sinyal frekuensi resonansi yang berbeda dalam rentang frekuensi tertentu.

 

3. Analisis indeks kinerja

Pertama-tama, dalam kondisi transmisi informasi frekuensi tinggi yang akurat, jarak propagasi sistem ini lebih dari 100 m pada 150 kHz, yang jauh melebihi jarak komunikasi akustik bawah air kurang dari 100 meter yang dicapai oleh banyak sistem komunikasi bawah air dengan mengorbankan kualitas transmisi sinyal. Kedua, dalam hal kinerja bandwidth transmisi informasi, dibandingkan dengan banyak sistem komunikasi akustik bawah air dengan bandwidth sekitar 200 Hz di pasaran, bandwidth transmisi sistem ini dapat mencapai 1,71 kHz, yang sebagian besar menghindari distorsi sinyal audio selama komunikasi. Terakhir, dalam hal kualitas komunikasi suara, kejelasan siaran suara oleh pihak penerima terakhir digunakan sebagai standar pengukuran. Dibandingkan dengan banyak peralatan komunikasi suara air sipil dengan kebisingan yang besar dan sinyal yang tidak jelas, sistem ini diuji dalam kondisi danau yang sama. Audionya jernih dan stabil.

 

4 Kesimpulan

Artikel ini merancang rangkaian komunikasi akustik bawah air berdasarkan aplikasi praktis komunikasi point-to-point dan komunikasi akustik bawah air. Pertama-tama, berdasarkan teori desain transduser yang relevan dan hasil laboratorium, struktur transduser disimulasikan oleh perangkat lunak simulasi elemen hingga ANSYS, dan metode pemotongan dan pengisian dilakukan dengan menggunakan bahan sensitif berkinerja tinggi PZT5-A sebagai fase bahan fungsional Keramik piezoelektrik, resin epoksi 618 adalah fase polimer, mengisi celah kolom piezoelektrik untuk membuat planar hidro-akustik komposit piezoelektrik tipe 1-3 searah transduser. Kemudian, transduser yang diproduksi digunakan dalam sistem komunikasi, dan sirkuit komunikasi akustik bawah air dengan struktur stabil dan komunikasi yang jelas dikembangkan. Sirkuit ini dapat mewujudkan komunikasi bawah air yang efektif, dan karena desain sirkuit modulasi dan demodulasi serta frekuensi sinyal pembawa yang dapat disesuaikan, sirkuit tersebut juga dapat dicocokkan dengan probe ultrasonik untuk mewujudkan fungsi deteksi cacat jarak jauh dan pengukuran jarak.