Progettazione, sviluppo e applicazione di trasduttori acustici subacquei combinati a banda larga

introduzione

 

L’oceano non è solo un importante tesoro di risorse ittiche e minerarie, ma anche una posizione importante per i paesi per mantenere la sicurezza nazionale e le lotte militari. Pertanto, la tecnologia acustica subacquea è diventata un mezzo importante per l’attuale esplorazione e sviluppo delle risorse marine, la comunicazione subacquea e la navigazione delle navi, il rilevamento e il riconoscimento di bersagli sottomarini, nonché il monitoraggio dell’ambiente marino e la previsione dei disastri naturali. IL Il trasduttore acustico subacqueo è il portatore dell'emissione e della ricezione delle onde sonore nella tecnologia acustica subacquea e il suo livello tecnico influisce direttamente o addirittura determina l'effetto finale di realizzazione della tecnologia acustica subacquea. Il rilevamento attivo del sonar e l'esplorazione delle risorse marine richiedono trasduttori a bassa frequenza, alta potenza e dimensioni ridotte. La simulazione del rumore e la calibrazione del sonar richiedono trasduttori acustici subacquei con caratteristiche di frequenza ultrabassa e banda ultralarga. Nel campo della comunicazione acustica subacquea, i trasduttori acustici subacquei devono avere le caratteristiche di alta efficienza, banda ultralarga, alta sensibilità e banda piatta. In generale, i trasduttori acustici subacquei si stanno sviluppando verso la bassa frequenza, la banda larga, l'alta potenza, le dimensioni ridotte e le acque profonde. Il trasduttore per acque profonde adotta il metodo di lavaggio interno per funzionare a una profondità massima di 11.000 m e utilizza l'accoppiamento della cavità interna dell'olio e delle parti strutturali per formare vibrazioni multimodali, che ampliano la banda di frequenza del trasduttore. Una cavità multi-risonante è formata da tubi tondi traboccanti di diverse dimensioni e la frequenza di lavoro può essere regolata modificando la dimensione dei tubi tondi per ottenere un trasduttore più ampio.

 

La larghezza di banda della gamma di frequenza è 200 Hz ~ 2 kHz. Il diametro del il trasduttore idrofono subacqueo è di 250 mm e la lunghezza è di 500 mm. La banda di copertura è 7~15kHz, il livello della sorgente sonora è 200 dB, la sensibilità di ricezione è -176 dB e la profondità subacquea operativa è 11.000 m. Il trasduttore recentemente sviluppato ha una dimensione di Il diametro è 240 mm, la lunghezza è 420 mm, la banda di frequenza di copertura è 1,8 ～ 8,0 kHz, la risposta di trasmissione è 144 dB e la fluttuazione in banda è inferiore a 6 dB. In sintesi, i trasduttori acustici subacquei d'oltremare hanno coperto l'intera banda di frequenza di lavoro, coprendo anche l'intera area acquatica, e hanno formato una certa scala nell'ingegneria, nella serializzazione e nella generalizzazione, rappresentando il livello avanzato del settore. Gli istituti di ricerca nazionali e altre unità correlate hanno condotto molte ricerche ed esperimenti e hanno ottenuto determinati risultati. Tuttavia, c'è ancora un certo divario nella tecnologia chiave e nella tecnologia di elaborazione dei trasduttori acustici subacquei rispetto ai paesi stranieri, soprattutto in I requisiti sempre crescenti di banda ultralarga, dimensioni ridotte e prestazioni elevate nel rilevamento acustico subacqueo richiedono una ricerca approfondita. Requisiti di sviluppo. Con lo sviluppo della tecnologia di riduzione del rumore delle navi in ​​vari paesi, il livello di rumore delle navi e degli obiettivi sottomarini è stato gradualmente ridotto. Le armi e le attrezzature subacquee come i siluri utilizzano principalmente trasduttori acustici subacquei a banda larga per espandere il raggio di rilevamento e migliorare la complessa acustica subacquea. La capacità di rilevamento e la precisione del colpo in condizioni di riverbero migliorano la capacità di riconoscimento del bersaglio subacqueo. Inoltre, in risposta a varie marine, agenzie di intelligence, entità economiche e persino organizzazioni terroristiche internazionali, nell'impiego di uomini rana, veicoli sottomarini autonomi (AUV) e micro-sottomarini per ricognizione, sabotaggio, esplosioni e operazioni di posa di mine vengono spesso effettuati in operazioni su piccola scala. I sottomarini senza equipaggio controllati a distanza (ROV) e altri veicoli sottomarini sono dotati di varie apparecchiature di rilevamento per la protezione della sicurezza e vengono proposti requisiti specifici per i principali indicatori tecnici del loro sonar. In questo documento, mirando ai requisiti di rilevamento acustico delle bolle di scia delle navi di superficie, è stato progettato e sviluppato un modello con funzioni di ricezione e trasmissione a banda ultralarga da 3 ～ 100kHz, che possono condurre misurazioni acustiche subacquee in tempo reale delle bolle di scia delle navi con un ampio angolo di apertura e richiede che le funzioni di ricezione e invio siano indipendenti l'una dall'altra. E controllabile, la struttura complessiva deve essere compatta, le dimensioni fisiche sono ridotte ed è facile da installare e utilizzare su una piccola ROM. Considerando i requisiti effettivi e le condizioni di lavoro effettive, i principali indicatori tecnici del trasduttore descritto in questo articolo sono i seguenti: 1) La frequenza di trasmissione è 3~100kHz e la frequenza di ricezione è 1~100kHz. 2) Il livello della sorgente sonora di emissione ≥ 189 dB. 3) Sensibilità di ricezione ≥ -180 dB. 4) Fluttuazione in banda ≤ 6 dB. 5) Ampiezza del fascio (orizzontale) ≥ 90° (-3dB). 6) Larghezza del fascio (verticale) ≥ 70° (-3dB). 7) Profondità dell'acqua di lavoro ≥ 500 m. 8) Dimensioni ≤ 350 mm × 150 mm × 250 mm. 9) Massa ≤ 10 kg. Tra questi, il ROV è una piccola struttura di rilevamento e la sua capacità di carico è limitata, quindi il trasduttore deve essere il più piccolo possibile, leggero e facile da implementare con la premessa di soddisfare gli indicatori di prestazione.

 

2 Progettazione e sviluppo di trasduttori

 

2.1 Progettazione del trasduttore e analisi della simulazione

IL il trasduttore cilindrico subacqueo appartiene a una struttura separata di ricezione e trasmissione. L'estremità di trasmissione è realizzata utilizzando tre trasduttori di trasmissione con struttura ad asta composita e le bande di frequenza corrispondenti sono 3 ～ 18kHz, 18 ～ 45kHz, 45 ～ 100kHz; l'estremità ricevente è realizzata utilizzando 2 idrofoni piezoelettrici della serie ad anello ceramico e le bande di frequenza sono rispettivamente 1-40kHz, 40-100kHz. La suddetta base del trasduttore trasmittente e ricevente è imballata nel suo insieme e all'interno è progettato un deflettore antiacustico. Una volta integrato il pacchetto, la massa totale è di circa 9 kg. La forma complessiva del trasduttore è un cuboide irregolare. La dimensione base è di circa 310 mm × 150 mm × 220 mm. L'aspetto è mostrato nella Figura 1. Il cavo principale può essere collegato ad apparecchiature elettroniche sonar esterne sotto forma di connettori.

 

Mirando ai principali requisiti dell'indice tecnico del trasduttore acustico subacqueo in questo articolo, combinato con lo schema di progettazione di cui sopra, viene effettuata un'analisi di simulazione delle sue prestazioni di trasmissione e ricezione. A causa della struttura complessa del trasduttore progettato in questo documento e dell'ampia copertura della banda di frequenza, i metodi di analisi teorica non sono adatti per il calcolo e la simulazione. Come tutti sappiamo, il metodo degli elementi finiti è un metodo di simulazione numerica ampiamente utilizzato nella pratica ingegneristica attuale. Utilizzare il software ANSYS per simulare un'area d'acqua in campo libero e stabilire un modello semplificato del trasduttore. Selezionare un punto nell'unità di campo lontano direttamente davanti al coperchio anteriore per calcolare la pressione sonora, quindi la risposta della tensione di trasmissione del trasduttore può essere convertita. Nell'unità di campo lontano, selezionare la pressione sonora in ciascuna direzione a una certa distanza lungo il centro del trasduttore per calcolare l'angolo aperto della direttività dell'emissione del trasduttore. Poiché il trasduttore ad asta composito ha una simmetria assiale, per l'analisi degli elementi finiti viene selezionato un modello a elementi finiti del trasduttore assialsimmetrico 2D. Quando si utilizza il calcolo ANSYS, è necessario considerare l'influenza dell'acqua sul trasduttore. Di solito l'effetto equivalente è una pallanuoto, quindi viene applicato il carico per calcolare la soluzione. Il modello del trasduttore in acqua è mostrato nelle Figure 2 e 3..

 

Dalle Figure 2 e 3 si può vedere che i trasduttori di trasmissione sono progettati con banda larga di picco a doppia risonanza. Le frequenze di risonanza dell'unità 3~18kHz del trasduttore trasmittente sono 5kHz, 14kHz e le frequenze di risonanza dell'unità 18~45kHz sono 20kHz, 40kHz e le frequenze di risonanza di 45~100kHz, 55k. L'unità 1-40kHz dell'idrofono ricevente utilizza un anello piezoelettrico e la frequenza di risonanza del singolo anello è maggiore di 40kHz per garantire una banda di frequenza di lavoro piatta. La struttura interna a due serie e due paralleli migliora la sensibilità e la stabilità; l'unità 40-100kHz dell'idrofono ricevente utilizza materiale composito piezoelettrico, la frequenza di risonanza è maggiore di 100kHz per garantire la planarità della banda. In questo articolo, l'equazione degli elementi finiti viene utilizzata come MU ¨ + CU · +KU = F (1) dove: M è la matrice di massa; C è la matrice di smorzamento; K è la matrice di rigidezza; U è il vettore spostamento nodale; F è il vettore del carico. Il livello di risposta in tensione di emissione TVR è TVR = 20lg p RV + 120 (2) dove: p è la pressione sonora del nodo; R è la distanza dal nodo al centro equivalente della sorgente sonora; V è la tensione applicata. Estrarre la pressione sonora p del nodo sull'asse acustico in ANSYS e calcolare la curva di risposta all'emissione del trasduttore. Nella progettazione attuale, la parte trasmittente del trasduttore acustico subacqueo è composta da tre tipi di trasduttori trasmittenti ad asta composita, che realizzano un'emissione direzionale a banda larga e allo stesso tempo sopprimono la radiazione posteriore. Il trasduttore trasmittente copre un'ampia gamma di frequenze e viene utilizzato principalmente per misurazioni acustiche subacquee. Deve avere una buona planarità in banda per garantire l'accuratezza della misurazione acustica subacquea. In ingegneria vengono spesso utilizzati metodi come l'ottimizzazione delle dimensioni della testa radiante del trasduttore o il controllo dell'ottimizzazione di fase per ridurre le fluttuazioni nella banda e la resistenza in serie sullo stack ceramico piezoelettrico prima e dopo il trasduttore di emissione a doppia risonanza (o 'doppia eccitazione'). , Per ridurre ulteriormente la fluttuazione della risposta della tensione di trasmissione del trasduttore nella banda di frequenza di lavoro. Questo documento considera le dimensioni e la qualità del trasduttore montato sulla piccola ROM, nonché la struttura complessiva dell'installazione, e adotta principalmente il metodo della letteratura per sopprimere la fluttuazione in banda del trasduttore trasmittente, ovvero il metodo di regolazione della resistenza del resistore di adattamento. Supponendo che la resistenza in serie degli stack ceramici piezoelettrici anteriore e posteriore all'interno del trasduttore di trasmissione siano rispettivamente R1 e R2, i valori di resistenza di R1 e R2 vengono regolati per controllare la planarità del trasduttore di trasmissione nella banda. Attraverso l'analisi degli elementi finiti, viene simulata la risposta di emissione del trasduttore trasmittente a diversi valori di resistenza. Prendendo come esempio il trasduttore di trasmissione a doppia risonanza progettato da 18~45kHz, l'analisi della simulazione mostra che la risposta di trasmissione varia con la curva del valore di resistenza come mostrato nella Figura 4. Dalla figura si può vedere che la regolazione di R1 e R2 può sostanzialmente controllare la planarità nella banda di frequenza del trasduttore di trasmissione. Ottimizzando le resistenze R1 e R2, si può concludere che quando R1=940 Ω , R2=330 Ω , ha una migliore planarità in banda. (Mostrato dalla linea tratteggiata nella Figura 4), e la risposta complessiva dell'emissione in banda non cambia molto,

 

Può soddisfare i requisiti di progettazione, combinati con le dimensioni fisiche effettive e l'adattamento dell'impedenza a banda larga, la simulazione completa può ottenere risultati di simulazione della risposta in tensione del trasmettitore da 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz e 45 ~ 100kHz, come mostrato nella Figura 5-7. Si può vedere dalle Figg. 5-7 che la risposta alla tensione del trasmettitore del trasduttore non è inferiore a 140 dB nella banda di frequenza, che soddisfa i requisiti degli indicatori tecnici relativi agli input di progettazione e può fornire un livello di sorgente sonora più ampio per il rilevamento acustico subacqueo a lunga distanza.

La parte ricevente del trasduttore idroacustico è realizzata mediante la combinazione di due serie di schiere di idrofoni, ciascuna delle quali adotta una connessione in serie e in parallelo di anelli ceramici piezoelettrici per ottenere la ricezione direzionale. Tra questi, l'idrofono con banda di frequenza 1-40kHz è realizzato sotto forma di due anelli piezoelettrici in ceramica collegati in serie. La sensibilità di un singolo idrofono non è inferiore a -193 dB e la sensibilità dell'idrofono dopo il collegamento in serie non è inferiore a -178 dB. I risultati dell'analisi della simulazione della sensibilità sono mostrati nella Figura 8. L'idrofono non ha direttività orizzontale (è possibile applicare la direttività regolabile tramite deflettore) e la direttività verticale di 3kHz è di circa 130 ° . I risultati della simulazione sono mostrati nella Figura 9. La direttività verticale a 40kHz è di circa 73 ° e i risultati della simulazione sono mostrati nella Figura 

 

 

11. La parte ricevente dell'idrofono nella banda di frequenza 40~100kHz adotta una struttura a due serie di anelli in ceramica piezoelettrica. La frequenza di lavoro può soddisfare l'uso di 40~100kHz, ma la sensibilità è bassa. Dopo il collegamento in serie, la sensibilità dell'idrofono non è inferiore a -180 dB. I risultati della simulazione della sensibilità sono i seguenti. Come mostrato nella Figura 11. Il livello dell'idrofono non ha direttività (è possibile applicare un deflettore per regolare la direttività) e la direttività verticale a 100kHz è di circa 77 ° . I risultati della simulazione sono mostrati nella Figura 12

Secondo l'analisi di simulazione basata sul metodo degli elementi finiti, il trasduttore combinato progettato in questo documento può soddisfare i requisiti di input di progettazione in termini di trasmissione e ricezione e i principali indicatori tecnici sono soddisfatti.

 

 2.2 Sviluppo del trasduttore

La banda larga combinata il trasduttore acustico subacqueo sferico è installato su una piccola ROM per l'uso. Per soddisfare le esigenze del rilevamento acustico a banda larga, si concentra su dimensioni ridotte e design leggero. In questo documento, combinato con il progetto della struttura complessiva di una piccola ROM, il trasduttore finale sviluppato è mostrato nella Figura 13. La struttura del progetto specifico è mostrata nella Figura 14. Il trasduttore acustico subacqueo combinato a banda larga progettato e sviluppato in questo documento copre la gamma di frequenza di trasmissione di 3~100kHz, la banda di frequenza di ricezione di 1~100kHz e la massa totale dell'oggetto fisico è di 9,4 kg (in aria, inclusa la staffa e il cavo di collegamento), le dimensioni sono 328,5 mm × 140 mm × 240 mm, che è inferiore ai requisiti di dimensioni e qualità nell'input di progettazione, riducendo i requisiti di capacità di carico della ROM. Il trasduttore è abbinato e installato sul corpo ROM e l'oggetto reale dopo l'installazione è mostrato nella Figura 15. I risultati dell'analisi della simulazione possono essere utilizzati come input di riferimento per la progettazione, ma nel successivo processo di sviluppo e debugging effettivo, devono essere regolati in base alla situazione di misurazione effettiva per soddisfare i requisiti di utilizzo effettivi.

 

3 Prova sperimentale

La parte trasmittente del trasduttore acustico subacqueo combinato a banda larga adotta 3 unità verticali per formare una banda di frequenza di lavoro che copre 3~100kHz, e la parte ricevente adotta 2 unità indipendenti per formare una banda di frequenza di lavoro che copre 1~100kHz. La disposizione generale di trasmissione ad entrambe le estremità e di ricezione al centro viene adottata per garantire l'angolo di apertura del trasduttore. All'interno del trasduttore è progettato un deflettore antiacustico per ridurre la riflessione interna e la sovrapposizione del segnale acustico. Allo stesso tempo, nella parte ricevente viene adottato un meccanismo di supporto regolabile e l'altezza del trasduttore ricevente viene regolata limitatamente in base alla situazione reale del test per espandere ulteriormente l'angolo di apertura della ricezione ed evitare l'occlusione e la riflessione del guscio del trasduttore e del corpo del ROV. Una volta completato lo sviluppo, per ottenere ulteriormente le prestazioni operative effettive del trasduttore, che sono diverse dal metodo di test del ricetrasmettitore indipendente solitamente utilizzato in laboratorio, qui viene utilizzato il test dell'indice di prestazione acustica complessiva del trasduttore. Cioè, dopo che il tutto è stato installato sul ROV, il test del serbatoio del trasduttore viene eseguito simulando le condizioni di lavoro effettive per confermare ulteriormente che il trasduttore è installato sul ROV e è influenzato dalla struttura del ROV, in modo da ottenere le effettive condizioni di lavoro del trasduttore. Parametri prestazionali reali. È stato effettuato un test completo in una piscina anecoica per verificare la realizzazione dei suoi indicatori di prestazione. Le condizioni di prova della piscina di acqua anecoica. la temperatura ambiente della stanza è 25 ℃ , la lunghezza del cavo di prova è 3 m, la profondità dell'acqua è 3 m, la temperatura ambiente dell'acqua è 20 ℃ , la resistenza di isolamento è 500 M Ω , la capacità statica è 51.000 pF e la distanza di prova è 6,2 m. I risultati effettivi della misurazione sono mostrati nelle Figure 16

 

 

Il ROV viene utilizzato per montare un trasduttore acustico subacqueo combinato a banda larga per eseguire il rilevamento acustico subacqueo a banda larga delle bolle di scia di una nave di superficie e ottenere le caratteristiche acustiche rilevanti delle bolle di scia e la dimensione fisica della scia. Nello specifico test sul lago, la nave di superficie è stata utilizzata per effettuare la navigazione diretta ad alta velocità sulla superficie dell'acqua. La nave era lunga 7,5 m, larga 3 m e aveva un pescaggio di 0,35 m. L'elica del motore esterno era sott'acqua a 0,8 metri. L'area d'acqua di prova è un'area aperta di un lago, la profondità media dell'area è di 35 m e la velocità della nave è di 10 nodi quando passa il punto di misurazione. Il ROV è dotato di un trasduttore acustico subacqueo combinato a banda larga in questo articolo per la misurazione continua. Nelle misurazioni ripetute, per il rilevamento vengono utilizzate diverse combinazioni di frequenze acustiche e si ottengono i risultati della misurazione della distribuzione delle bolle di scia, come mostrato nella Figura

 

 

Dalla Figura 18 si può vedere che la misurazione effettiva della dimensione delle bolle di scia della nave è concentrata nell'alta densità di 10-20 μ m. Il risultato della misurazione è coerente con la densità del numero di bolle più alta nella scia fornita dalla letteratura con un raggio di 10-20 μ m, il che dimostra che il trasduttore. Il dispositivo soddisfa i requisiti di test nell'ambiente di lavoro reale. Allo stesso tempo, il trasduttore viene utilizzato per misurare continuamente lo strato di bolle di scia formatosi dopo che la nave di superficie salpa e in base alle informazioni ottenute sull'intensità del bersaglio acustico della bolla di scia, combinate con l'ambiente acustico subacqueo corrente (come velocità del suono, profondità dell'acqua, ecc.) e dati precedenti (come sensibilità del trasduttore, guadagno del circuito a livello della sorgente di emissione sonora, ecc.), stimati secondo il corrispondente algoritmo di elaborazione, e ottenuta la curva della forza delle bolle con profondità e tempo come mostrato nella Figura 19. Dalla Figura 19 si può vedere che il La durata della bolla di scia è di circa 173 s e lo spessore effettivo della bolla di scia media è di 1,46 m, il che è sostanzialmente coerente con la formula empirica fornita dalla formula di calcolo della scia convenzionale. In sintesi, attraverso il test di misurazione complessivo nella vasca anecoica, i risultati della misurazione mostrano che le prestazioni effettive del trasduttore sono sostanzialmente coerenti con i risultati della simulazione. Viene installato sulla piattaforma ROV e verificato mediante l'effettivo test di navigazione sul lago. I risultati del test mostrano che il trasduttore copre un'ampia banda di frequenza, ha una struttura piccola e i risultati della misurazione sono sostanzialmente coerenti con le formule empiriche. I dati di misurazione sono credibili e possono soddisfare i requisiti delle bolle di scia della nave in superficie.

 

 4 Conclusione

 

 Questo articolo propone un metodo di progettazione combinato di trasduttori integrati, con una banda di frequenza operativa a banda larga da bassa ad alta frequenza, caratterizzata dal fatto che l'estremità trasmittente può coprire 3~100kHz, l'estremità ricevente copre 1~100kHz e l'angolo di apertura non è inferiore a 70 ° ; Adottando un layout del ricetrasmettitore separato, trasmettendo ad entrambe le estremità, ricevendo concentrato al centro, design della struttura del deflettore acustico interno; i componenti interni del trasduttore sono integrati e escono tramite un connettore stagno, riducendo la complessità dei collegamenti esterni; Attraverso la struttura di supporto centrale del trasduttore, è possibile regolare il baricentro complessivo del trasduttore, il che è conveniente per l'adattamento e l'installazione di piccoli veicoli sottomarini come ROV; la disposizione aperta del trasduttore, il carico meccanico attraverso il supporto metallico, riduce l'intero trasduttore. La qualità e le dimensioni del dispositivo migliorano la vestibilità. Questo trasduttore presenta i vantaggi di un'ampia banda di frequenza di lavoro, di un angolo di apertura maggiore e di un peso più leggero con la limitazione delle dimensioni ridotte. È stato applicato con successo a una piccola ROM, risolvendo il problema dei test acustici subacquei a banda ultralarga su una piccola piattaforma ROM. Ha un alto valore militare e civile.