Progettazione del circuito di pilotaggio e ricezione basato su trasduttore acustico subacqueo

Partendo dalle esigenze delle comunicazioni sottomarine militari e delle comunicazioni sottomarine civili, un planare unidirezionale è stato fabbricato un trasduttore idroacustico subacqueo con una frequenza di risonanza di 150 kHz e i circuiti di comando del trasmettitore e del ricevitore del trasduttore sono stati progettati in base al principio della comunicazione punto a punto. Il trasduttore acustico subacqueo è posizionato nell'area dell'acqua e collegato al circuito per realizzare la funzione di comunicazione subacquea a lunga distanza. Il circuito è stato testato su una piattaforma sperimentale autoprogettata. I risultati del test mostrano che il trasduttore fabbricato ha una risposta e una sensibilità alla tensione di emissione più elevate, una direttività singola e il circuito di comunicazione acustica subacquea ha una frequenza regolabile e la comunicazione è chiara e stabile. Il circuito di comunicazione acustica subacquea può essere utilizzato per comunicazioni militari e civili ed è facile da spostare, trasportare e facile da eseguire il debug. A causa dell'assorbimento delle onde elettromagnetiche, delle onde luminose e di altre forme di energia da parte dell'acqua di mare e dell'esistenza di 'zone di convergenza' nelle profondità marine, le onde sonore sono attualmente l'unica forma di energia conosciuta in grado di trasmettere segnali in modalità wireless su lunghe distanze sott'acqua. Le onde sonore con una frequenza di vibrazione superiore a 20 kHz sono chiamate onde ultrasoniche. Rispetto alle normali onde sonore, le onde ultrasoniche hanno una migliore direttività, un potere di penetrazione più forte e migliori prestazioni di riflessione. Pertanto, sono ampiamente utilizzati nella trasmissione di informazioni, nel rilevamento di danni, nei test a distanza e nei campi medico e sanitario. Ma nel processo di propagazione, la perdita di energia dell'onda sonora nel canale dell'acqua aumenta con l'aumento della frequenza, per cui la larghezza di banda disponibile del canale dell'acqua è stretta e la capacità di informazione è ridotta. Pertanto, le prestazioni del circuito di trasmissione e ricezione svolgono un ruolo fondamentale nella qualità della comunicazione acustica subacquea. Nel secolo scorso, la Harris Acoustic Products Company statunitense, la Francia e il Regno Unito svilupparono comunicatori idroacustici adatti alle comunicazioni subacquee delle navi. Utilizzavano la modulazione a banda laterale singola e utilizzavano idrofoni di grande volume come 'finestra' per la trasmissione e la ricezione del segnale. , Per raggiungere una certa distanza di comunicazione subacquea, ma l'attrezzatura è complessa, il trasduttore è grande e la direttività non è sufficientemente nitida, non adatta all'uso civile; Assemblato in un sistema di comunicazione analogico basato sul software di elaborazione del segnale Linux, sul simulatore di canale viene realizzata la comunicazione a lunga distanza, ma il canale di progettazione ideale è diverso dal canale d'acqua effettivo; altri hanno costruito un sistema di comunicazione subacquea basato su sequenze di mappatura combinate parallele a spettro esteso, utilizzando il chip DSP come modulo di elaborazione delle informazioni, realizzando così una trasmissione subacquea nascosta e ad alta velocità delle informazioni tra le piattaforme. Tuttavia, il timer 555 viene tradizionalmente utilizzato per generare un'onda portante con una frequenza di vibrazione specifica per pilotare il circuito di azionamento del trasduttore e la stabilità della frequenza della forma d'onda generata è relativamente scarsa; e la tecnologia di elaborazione dei chip DSP, emergente di recente, ha algoritmi complessi e deve essere eseguita per acque diverse. La complessa modifica dei calcoli e la compensazione non sono adatte per una promozione su larga scala nel settore civile. Inoltre, le sonde utilizzate nei dispositivi ricetrasmettitori di segnale del circuito di comunicazione che sono stati sviluppati non sono sufficientemente affilate, la potenza non è concentrata e la larghezza di banda è relativamente stretta, il che non favorisce la trasmissione e la ricezione del segnale. Tuttavia, la maggior parte dei ricetrasmettitori a ultrasuoni non sono adatti al funzionamento dei canali d'acqua e non possono soddisfare le effettive esigenze civili e militari.

 

1) Basato su un volume ridotto Trasduttore acustico subacqueo unidirezionale , questo articolo utilizza metodi di modulazione a doppia banda laterale e demodulazione coerente per sviluppare un circuito di trasmissione e ricezione adatto alla comunicazione subacquea. Il circuito di comunicazione acustica subacquea utilizza la banda ad alta frequenza e la frequenza è regolabile, adatta per 0 kHz ~ 12. Il trasduttore con gamma di frequenza di 5 MHz ha una distanza di comunicazione fino a 100 metri. Il circuito di trasmissione e di pilotaggio, il circuito di ricezione e di pilotaggio, il trasduttore di trasmissione e l'idrofono nel circuito formano insieme un insieme di sistemi di comunicazione idroacustica. Il sistema utilizza il trasmettitore e l'idrofono come 'finestra' per lo scambio di segnali, utilizza STM32F103RCT6 e AD9833 come sorgente del segnale portante e combina i componenti modem rilevanti per ottenere finalmente una comunicazione stabile e chiara.

 

1 Produzione trasduttori

 

Il materiale composito piezoelettrico 1-3 si riferisce a un materiale formato da colonne ceramiche piezoelettriche unidimensionali collegate e disposte in parallelo in un polimero collegato tridimensionale. Rispetto ai materiali piezoelettrici in ceramica pura 1-3 materiali compositi piezoelettrici, ha effetti migliori nel rilevamento dei danni e nella produzione di trasduttori di trasmissione e ricezione. Pertanto, il modulo ricetrasmettitore di onde acustiche di questo sistema adotta un trasduttore ultrasonico planare costituito da 1-3 materiali compositi piezoelettrici sviluppati in laboratorio, che è composto da 1-3 elementi sensibili planari compositi piezoelettrici, uno strato permeabile al suono impermeabile, un cavo dell'elettrodo e una copertura rigida composta da schiuma di alta qualità e metallo. Prima di realizzare il trasduttore, è necessario utilizzare il software di simulazione agli elementi finiti ANSYS per l'architettura del modello e il calcolo della simulazione.

 

Simulazione di 1-3 sensori compositi piezoelettrici

 

Nel software di simulazione degli elementi finiti ANSYS, impostare innanzitutto il tipo di unità, la densità, il rapporto di Poisson e il modulo di Young della resina epossidica, quindi impostare la densità, la matrice di rigidità, la matrice della costante dielettrica e la matrice piezoelettrica della ceramica piezoelettrica. In secondo luogo, impostare la struttura del modello di materiale composito piezoelettrico 1-3: un piano con una lunghezza di 100 mm, una larghezza di 100 mm e uno spessore di 10 mm, in cui la larghezza della fase polimerica è 0,28 mm, la larghezza della colonna ceramica piezoelettrica è 1,44 mm, l'altezza è 10 mm. In questo modo, la frazione volumetrica della colonnina piezoelettrica in ceramica PZT nel materiale composito è del 51,84%. Poiché il modello del materiale composito 1-3 contiene materiali a due fasi, la quantità di calcolo è elevata quando viene eseguito il calcolo di simulazione. Per ridurre la quantità di calcolo, per il calcolo della simulazione viene selezionata un'unità del materiale composito piezoelettrico 1-3. Il diagramma strutturale del modello di materiale composito piezoelettrico 1-3 e il diagramma tridimensionale della colonna ceramica piezoelettrica sono i seguenti:

Vengono meshati elementi di materiale composito piezoelettrico di tipo 1-3 e condizioni al contorno di simmetria vengono aggiunte al confine attorno all'asse Z (lunghezza) dell'elemento e una tensione di 1 V viene aggiunta alla superficie superiore della ceramica piezoelettrica nella direzione positiva dell'asse Z, Z = 0 Aggiungere una tensione di 0 V alla superficie inferiore. Impostare il tipo di analisi di frequenza e selezionare l'intervallo di analisi di frequenza (50 ~ 250 kHz) e il numero di passaggi), quindi risolvere e postelaborare il risultato ottenuto il diagramma di ammettenza è mostrato nella Figura 2. Dalla Figura 2 si può vedere che il trasduttore soddisfa i requisiti di frequenza e che i componenti sensibili possono essere realizzati in base ai parametri impostati.

 

Il sensore composito piezoelettrico di tipo 1-3 è costituito da blocchi di ceramica piezoelettrici con una lunghezza di 100 mm, una larghezza di 100 mm e uno spessore di 10 mm. Tagliare nelle direzioni della lunghezza e della larghezza in base al disegno del modello, quindi iniettare la resina epossidica 618. Dopo aver lasciato riposare per 24 ore, eseguire lo stesso taglio sul retro per lucidare la resina epossidica in eccesso nella direzione dello spessore per creare un tipo 1-3. Materiale composito piezoelettrico. Utilizzare alcool per pulire la superficie del materiale composito e applicare pasta d'argento per compensare l'elettrodo distrutto lucidando la resina epossidica e infine rendere l'elemento sensibile del materiale composito piezoelettrico 1-3. Utilizzare l'analizzatore di impedenza Agilent 4294A per testare i componenti sensibili. I risultati del test mostrano che la larghezza di banda del sensore in materiale composito piezoelettrico di tipo 1-3 è 1 quando la frequenza di risonanza è 151 kHz. 71 kHz, l'impedenza acustica è 17,47 Pa·s/m3, il valore di conducibilità è 104,6 mS, il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico è 0,68. Il fattore di qualità meccanica è 88,18. Il risultato del test del materiale sensibile è buono.

 

1.3 Fabbricazione di planari unidirezionali ad alta frequenza trasduttore idroacustico subacqueo Aggiungere grafite al poliuretano il cui componente principale è la resina epossidica e mescolare per creare lo strato impermeabile e permeabile al suono richiesto e realizzare lo stampo in base alle dimensioni del trasduttore per il versamento e la sigillatura e infine realizzare un trasduttore acustico subacqueo planare unidirezionale ad alta frequenza.

 

1.4 Test delle prestazioni del trasduttore

Il test delle prestazioni del trasduttore comprende principalmente la misurazione della risposta alla tensione di trasmissione, la sensibilità di ricezione e le prestazioni di direttività. La misurazione della direttività di un trasduttore viene solitamente utilizzata per tracciarne il modello di direttività. Durante la misurazione, il trasduttore in prova viene ruotato per raggiungere lo scopo di misurare la risposta di invio del trasduttore o la sensibilità di ricezione con l'angolo di azimut, quindi dopo la conversione si ottiene il modello direzionale del trasduttore

 

2 Progettazione del circuito

 

Considerando il metodo di comunicazione punto a punto e il tasso di utilizzo della potenza, questo articolo adotta la modulazione del segnale a banda laterale doppia (DSB) e la demodulazione coerente. Il principio di modulazione è mostrato nell'equazione (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Il principio di demodulazione è mostrato nell'equazione (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Dove: uDSB è il segnale modulato; uc(t) è il segnale modulato; uΩ (t) è il segnale portante. La funzione essenziale del circuito di modulazione DSB è un moltiplicatore, che utilizza il segnale portante per trasferire le informazioni trasportate dal segnale in banda base. Durante la demodulazione, il segnale modulato viene moltiplicato per una portante della stessa frequenza e fase, e quindi fatto passare attraverso un filtro passa banda per ottenere il segnale originale. Il dispositivo di conversione dell'energia richiesto per la trasmissione del segnale adotta il trasduttore ultrasonico planare realizzato in questo articolo. Viene mostrato il principio del sistema di circuiti di comando di trasmissione e ricezione.

 

2. 1 modulo di circuito

Il microcomputer a chip singolo STM32F103RC utilizza il core Cortex-M3 e la sua velocità massima della CPU è di 72 MHz. Rispetto ai microcomputer a chip singolo modello 51 e 52, la velocità di esecuzione delle istruzioni è più rapida, il volume è inferiore e l'integrazione è semplice. AD9833 è un basso consumo energetico,

modulo di generazione del segnale programmabile, che può essere programmato per generare onde sinusoidali, quadrate e triangolari in un determinato intervallo di frequenza. La porta FSYNC su di esso è la porta di trigger del livello di ingresso, che funge da sincronizzazione del frame e segnale di abilitazione. Quando FSYNC è basso, i dati possono essere trasferiti. Inoltre, AD9833 ha un registro di controllo a 16 bit. Programmando il registro di controllo, AD9833 può funzionare nello stato richiesto dall'utente. Utilizzando il microcomputer a chip singolo modello STM32F103RC per controllare il modulo di generazione del segnale AD9833 si produce una minore distorsione dell'onda sinusoidale. Il circuito è alimentato dal modulo di alimentazione switching TPS5430, che può fornire tensioni stabili di 5 V e 12 V, evitando la distorsione e il ritardo nella trasmissione del segnale.

 

Quando il segnale audio esterno entra nel circuito di pilotaggio, viene moltiplicato con l'onda sinusoidale da 150 kHz generata dal modulo di generazione della portante nel modulo moltiplicatore AD835 (fase di modulazione a doppia banda laterale), quindi il filtro passa banda filtra parte del rumore del segnale di uscita del moltiplicatore. Il segnale generato viene amplificato dall'amplificatore di potenza e quindi collegato al trasduttore trasmittente e infine il trasduttore trasmittente trasmette il segnale nell'acqua. La modulazione a doppia banda laterale può spostare il segnale in banda base sulla frequenza portante per ottenere il multiplexing e migliorare l'utilizzo del canale; in secondo luogo, espande la larghezza di banda del segnale, migliora la capacità anti-interferenza del sistema e migliora il rapporto segnale-rumore. In questo circuito di pilotaggio, l'amplificatore di potenza amplifica il segnale per far funzionare il trasduttore. Il segnale audio esterno può essere musica trasmessa dal jack dell'auricolare di un dispositivo elettronico, come un telefono cellulare, oppure un segnale convertito e condotto da un suono esterno attraverso un modulo microfono.

 

2. 3 Circuito di ricezione e pilotaggio

Dopo che il trasduttore trasmittente ha trasmesso il segnale dell'onda sonora al canale dell'acqua, è necessario un corrispondente circuito di comando ricevente per ricevere il segnale nel canale dell'acqua e ripristinare il segnale modulato originale. Il principio di funzionamento del circuito di comando ricevente progettato in questo articolo. Dopo che il circuito di comando ricevente riceve il segnale nel canale, questo viene passato al filtro passa-alto attraverso il filo ad alta frequenza e il rumore generato dal circuito e miscelato nel canale viene rimosso. Quindi questo segnale e l'onda sinusoidale da 150 kHz vengono moltiplicati nel modulo moltiplicatore AD835. L'uscita dell'operazione del moltiplicatore viene trasmessa al filtro passa-banda attraverso il cavo coassiale ad alta frequenza e viene selezionato il segnale nell'intervallo di frequenza richiesto (fase di demodulazione coerente). Infine, il modulo amplificatore di potenza TDA2030A viene utilizzato per pilotare il modulo altoparlante e il segnale demodulato viene riprodotto sotto forma di audio. In questo sistema, sia il circuito di comando di trasmissione che il circuito di comando di ricezione devono utilizzare il modulo di stabilizzazione della tensione TPS5430 per garantire il funzionamento stabile e stabile della tensione di ciascun modulo e i filtri sono tutti filtri attivi di 4° ordine. Le onde portanti utilizzate nel processo di modulazione e demodulazione hanno tutte la stessa frequenza, generata dal modulo AD9833 attivo dopo essere stato programmato dal microcontrollore STM32F103RC.

 

3 Verifica sperimentale

3.1 Verifica della comunicazione idroacustica

Per verificare il funzionamento di questo sistema è stato effettuato un test di comunicazione acustica subacquea in un lago del raggio di circa 100 m. Trasmettere il trasduttore del trasmettitore e il trasduttore del ricevitore

I ricevitori sono posti rispettivamente sulle due sponde del lago in direzione del diametro, collegati rispettivamente al circuito di pilotaggio trasmittente e al circuito di pilotaggio ricevente. Poiché la frequenza della voce umana è generalmente compresa tra 8 e 10 kHz, comprese molte componenti armoniche, il segnale audio di una canzone viene selezionato casualmente come segnale di modulazione. Il segnale viene visualizzato da un oscilloscopio, il segnale di modulazione audio originale è mostrato nella Figura 7(a) e il segnale portante da 150 kHz emesso da AD9833 è mostrato nella Figura 7(b)

Il segnale portante e il segnale di modulazione audio vengono immessi nel moltiplicatore per eseguire la modulazione preliminare. Dopo essere stato misurato con un oscilloscopio, il segnale di uscita del moltiplicatore è mostrato in Figura 8.

Secondo la visualizzazione della frequenza nella Figura 8, è conforme alla legge di modulazione della doppia banda laterale. Il segnale di uscita del moltiplicatore viene immesso nell'amplificatore di potenza attraverso il cavo coassiale e la potenza del segnale viene aumentata in un intervallo di distorsione più piccolo per portare il trasduttore a emettere il segnale. Trasmettere l'ingresso del trasduttore visualizzato dall'oscilloscopio. Il segnale è mostrato nella Figura 9.

Si può osservare in Figura 9 che la bava è scomparsa, cioè il rumore generato dal circuito è stato filtrato. Il trasduttore ricevente, cioè l'idrofono, riceve il segnale dal canale come mostrato in Figura 10.

Il segnale ricevuto dall'idrofono contiene segnali audio, rumore e parte del segnale sovrapposto causato dall'effetto multipercorso nel canale, con conseguenti anomalie e sovrapposizioni in alcune forme d'onda del segnale. Dopo che il segnale ricevuto è stato filtrato da un filtro passa-alto per rimuovere il rumore a bassa frequenza e i segnali sovrapposti, viene demodulato con un'onda sinusoidale da 150 kHz in un sistema composto da un moltiplicatore e un filtro passa-banda per ripristinare il segnale in banda base originale e l'altoparlante è pilotato dal modulo amplificatore di potenza TDA2030A. Il segnale audio originale viene trasmesso senza distorsioni. Il segnale audio trasmesso è il segnale musicale originale. Il segnale audio ripristinato dal circuito di pilotaggio ricevente è mostrato nella forma d'onda inferiore della Figura 11.

La Figura 11 mostra un confronto tra le due forme d'onda. La parte superiore mostra il segnale ricevuto dall'idrofono e la parte inferiore è la forma d'onda del segnale audio ripristinato. L'effetto di ripristino dell'audio è buono. Le forme d'onda del segnale audio originale e del segnale audio ripristinato vengono confrontate e confrontate con l'audio originale e la qualità del suono audio effettiva. Il risultato mostra che il sistema può pilotare un trasduttore idroacustico planare unidirezionale ad alta frequenza da 150 kHz. Il segnale audio può essere trasmesso con alta qualità e l'audio alla fine della trasmissione è chiaro e stabile.

 

3.2 Verifica della regolabilità della frequenza

Dopo aver verificato che il sistema e il trasduttore abbinato funzionino e funzionino normalmente, viene effettuato un secondo esperimento per verificare la regolabilità della frequenza del sistema. Programmare il modulo di generazione del segnale per modificarlo in modo che corrisponda al trasduttore da 300 kHz realizzato in laboratorio. Testare l'effetto di trasmissione del segnale. Il segnale di modulazione audio è mostrato nella Figura 12 (a) e il segnale audio appena ripristinato è mostrato nella Figura 12 (b).

La forma d'onda del segnale rilevata dall'oscilloscopio rappresenta il segnale audio trasmesso. Nella Figura 12(b), la parte superiore è il segnale ricevuto dall'idrofono e la parte inferiore è la forma d'onda del segnale audio ripristinato. Confrontando e analizzando i segnali audio in ingresso e in uscita del sistema, si può vedere che il sistema può trasmettere segnali audio di alta qualità, ovvero il sistema può adattarsi a segnali di diverse frequenze di risonanza entro un determinato intervallo di frequenza.

 

3. Analisi dell'indice di prestazione

Innanzitutto, nella condizione di trasmissione accurata delle informazioni ad alta frequenza, la distanza di propagazione di questo sistema è superiore a 100 m a 150 kHz, che supera di gran lunga la distanza di comunicazione acustica subacquea inferiore a 100 metri raggiunta da molti sistemi di comunicazione subacquea a scapito della qualità di trasmissione del segnale. In secondo luogo, in termini di prestazioni della larghezza di banda di trasmissione delle informazioni, rispetto a molti sistemi di comunicazione acustica subacquea presenti sul mercato con una larghezza di banda di circa 200 Hz, la larghezza di banda di trasmissione di questo sistema può raggiungere 1,71 kHz, il che evita in gran parte la distorsione dei segnali audio durante la comunicazione. Infine, in termini di qualità della comunicazione vocale, come standard di misurazione viene utilizzata la chiarezza della voce trasmessa dall'ultimo terminale ricevente. Rispetto a molte apparecchiature di comunicazione vocale civile sull'acqua con forte rumore e segnali poco chiari, il sistema è testato nelle stesse condizioni del lago. L'audio è chiaro e stabile.

 

4 Conclusione

Questo articolo progetta una serie di circuiti di comunicazione acustica subacquea basati sull'applicazione pratica della comunicazione punto a punto e della comunicazione acustica subacquea. Innanzitutto, sulla base delle teorie pertinenti della progettazione del trasduttore e dei risultati del laboratorio, la struttura del trasduttore viene simulata dal software di simulazione degli elementi finiti ANSYS e il metodo di taglio e riempimento viene eseguito utilizzando il materiale sensibile ad alte prestazioni PZT5-A come fase del materiale funzionale ceramico piezoelettrico, la resina epossidica 618 è la fase polimerica, riempiendo il divario della colonna piezoelettrica per rendere planare idroacustico composito piezoelettrico unidirezionale di tipo 1-3 trasduttore. Quindi, il trasduttore prodotto è stato utilizzato nel sistema di comunicazione ed è stato sviluppato un circuito di comunicazione acustica subacquea con struttura stabile e comunicazione chiara. Questo circuito può realizzare un'efficace comunicazione subacquea e, grazie al design del circuito di modulazione e demodulazione e alla frequenza regolabile del segnale portante, il circuito può anche essere abbinato alla sonda a ultrasuoni per realizzare le funzioni di rilevamento di difetti a lunga distanza e misurazione della distanza.