広帯域複合水中音響変換器の設計・開発・応用

導入

 

海洋は漁業や鉱物資源の重要な宝であるだけでなく、各国にとって国家安全保障や軍事闘争を維持するための重要な位置でもある。したがって、水中音響技術は、現在の海洋資源の探査と開発、船舶の水中通信と航行、水中目標の探知と認識、海洋環境モニタリングと自然災害予測にとって重要な手段となっています。の 水中音響トランスデューサは、水中音響技術における音波の発信と受信の伝達手段であり、その技術レベルは水中音響技術の最終的な実現効果に直接影響を与え、さらには決定します。アクティブソナー検出と海洋資源探査には、低周波数、高出力、小型のトランスデューサーが必要です。騒音シミュレーションとソナー校正には、超低周波特性と超広帯域特性を備えた水中音響トランスデューサが必要です。水中音響通信の分野では、水中音響トランスデューサには高効率、超広帯域、高感度、フラットな帯域内特性が求められます。一般に、水中音響トランスデューサは、低周波、広帯域、高出力、小型、深海を目指して開発されています。深水トランスデューサは、最大11,000mの深さで動作する内部フラッシング方式を採用しており、内部のオイルキャビティと構造部品の結合を使用してマルチモード振動を形成し、トランスデューサの周波数帯域を広げます。多重共振空洞は、異なるサイズの丸管をオーバーフローさせることによって形成され、丸管のサイズを変更することで動作周波数を調整して、より幅の広いトランスデューサーを得ることができます。

 

周波数帯域幅は200Hz～2kHzです。の直径 水中ハイドロフォン振動子 は250mm、長さは500mmです。カバー帯域は7~15kHz、音源レベルは200dB、受信感度は-176dB、使用水深は11000mです。今回開発したトランスデューサのサイズは直径240mm、長さ420mm、カバー周波数帯域は1.8 ～ 8.0kHz、送信応答は144dB、帯域内変動は6dB未満です。要約すると、海外の水中音響トランスデューサは、使用周波数帯域全体をカバーし、さらに水域全体をカバーしており、エンジニアリング、シリアル化、一般化において一定の規模を形成しており、業界の先進レベルを表しています。国内の研究機関等においては、これまで多くの研究・実験が行われ、一定の成果をあげてきました。しかし、水中音響トランスデューサのキーテクノロジーや加工技術は海外と比較して依然として一定のギャップがあり、特に水中音響探知における超広帯域、小型、高性能に対する要求はますます高まっており、綿密な研究が必要とされています。開発要件 . 各国の船舶の騒音低減技術の発展に伴い、船舶や水中目標の騒音レベルは徐々に低減されています。魚雷などの水中兵器や装備品は、主に広帯域水中音響トランスデューサーを使用して、探知範囲を拡大し、複雑な水中音響を改善します。残響環境下での探知能力と命中精度により、水中目標認識能力が向上します。さらに、さまざまな海軍、諜報機関、経済団体、さらには国際テロ組織への対応として、フロッグマン、自律型潜水艇（AUV）、偵察、破壊工作、爆発、機雷敷設などの目的での超小型潜水艦の配備が小規模な作戦で行われることが多い。遠隔制御の無人潜水艇 (ROV) やその他の水中ビークルには、安全保護のためのさまざまな検出装置が装備されており、ソナーの主要な技術指標に対して特定の要件が提示されています。本稿では，水上艦の後流気泡の音響検出の要求に向けて，大きな開口角で船舶の後流気泡の水中音響測定をリアルタイムに行うことができる3 ～ 100kHzの超広帯域受信・送信機能を備えたモデルを設計・開発し，受信機能と送信機能が互いに独立していることを要求する。制御可能であるため、全体の構造がコンパクトである必要があり、物理的なサイズが小さく、小さな ROM に簡単にインストールして使用できます。実際の要件と実際の使用条件を考慮して、この記事で説明するトランスデューサの主な技術指標は次のとおりです。 1) 送信周波数は 3 ～ 100 kHz、受信周波数は 1 ～ 100 kHz です。 2) 放射音源レベル ≥ 189dB。 3) 受信感度 ≥ -180dB。 4) 帯域内変動 ≤ 6dB。 5) ビーム幅 (水平) ≥ 90° (-3dB)。 6) ビーム幅 (垂直) ≥ 70° (-3dB)。 7) 作業水深 ≥ 500m。 8) 寸法 ≤ 350mm × 150mm × 250mm。 9) 質量 ≤ 10kg。このうちROVは小型の検出構造であり、搭載容量が限られているため、性能指標を満たすことを前提として、振動子は可能な限り小型、軽量で実装が容易であることが求められます。

 

2 トランスデューサの設計と開発

 

2.1 トランスデューサの設計とシミュレーション解析

の 水中円筒形トランスデューサは、 受信と送信の別の構造に属します。送信端は3つの複合ロッド構造送信トランスデューサを使用して実現され、対応周波数帯域は3 ～ 18kHz、18 ～ 45kHz、45 ～ 100kHzです。受信側は2つの圧電セラミックリングシリーズハイドロフォンを使用して実現され、周波​​数帯域はそれぞれ1〜40kHz、40〜100kHzです。上記の送受信トランスデューサベースは全体としてパッケージ化されており、内部には音響防止バッフルが設計されています。パッケージ一体化後の総質量は約9kgとなります。トランスデューサの全体形状は不規則な直方体です。基本サイズは約310mm × 150mm × 220mmです。外観を図1に示します。メインケーブルはコネクタ形式で外部のソナー電子機器に接続できます。

 

この記事では、水中音響トランスデューサの主な技術指標要件を目的として、上記の設計スキームと組み合わせて、その送受信性能のシミュレーション解析を実行します。この論文で設計したトランスデューサは複雑な構造であり、広い周波数帯域をカバーしているため、理論的な解析手法は計算やシミュレーションには適していません。周知のとおり、有限要素法は、現在の工学実務で広く使用されている数値シミュレーション手法です。 ANSYS ソフトウェアを使用して自由水域をシミュレートし、トランスデューサーの簡略化されたモデルを確立します。フロントカバーの真正面にあるファーフィールドユニット内の点を選択して音圧を計算すると、トランスデューサーの送信電圧応答を変換できます。ファーフィールドユニットでは、トランスデューサーの中心に沿った一定の距離における各方向の音圧を選択し、トランスデューサーの放射指向性の開き角を計算します。複合ロッドトランスデューサは軸対称であるため、有限要素解析には 2D 軸対称トランスデューサ有限要素モデルが選択されます。 ANSYS 計算を使用する場合、トランスデューサへの水の影響を考慮する必要があります。通常、同等の効果は水球であり、荷重を適用して解を計算します。水中のトランスデューサのモデルを図 2 と 3 に示します。

 

図 2 と 3 から、送信トランスデューサーが二重共振ピーク広帯域で設計されていることがわかります。送信振動子の3～18kHzユニットの共振周波数は5kHz、14kHz、18～45kHzユニットの共振周波数は20kHz、40kHz、45～100kHz、55kです。受信水中聴音器の 1 ～ 40kHz ユニットは圧電リングを使用しており、単一リングの共振周波数は 40kHz を超えており、平坦な動作周波数帯域を確保しています。内部の 2 直列 2 並列構造により、感度と安定性が向上します。受信ハイドロホンの 40 ～ 100kHz ユニットには圧電複合材料が使用されており、帯域内の平坦性を確保するために共振周波数は 100kHz より高くなります。この論文では、有限要素方程式は MU ̲ + CU · +KU = F (1) として使用されます。 ここで、M は質量行列です。 C は減衰行列です。 K は剛性マトリックスです。 U は節点変位ベクトルです。 F は負荷ベクトルです。放出電圧応答レベル TVR は TVR = 20lg p RV + 120 (2) ここで、 p はノードの音圧です。 R はノードから音源の同等の中心までの距離です。 V は印加電圧です。 ANSYS の音響軸上のノードの音圧 p を抽出し、トランスデューサの放射応答曲線を計算します。実際の設計では、水中音響トランスデューサの送信部は3種類の複合ロッド送信トランスデューサで構成されており、広帯域の指向性放射を実現すると同時に後方放射を抑制します。送信トランスデューサは広い周波数範囲をカバーし、主に水中音響測定に使用されます。水中音響測定の精度を確保するには、良好な帯域内平坦性が必要です。工学では、トランスデューサの放射ヘッドのサイズを最適化したり、帯域の変動や二重共振 (または「二重励起」) 放射トランスデューサの前後の圧電セラミック スタックの直列抵抗を低減するために位相の最適化を制御したりする方法がよく使用されます。 , 動作周波数帯域におけるトランスデューサーの送信電圧応答の変動をさらに低減します。本稿では小型ROMに搭載する振動子のサイズや品質、全体の設置構造などを考慮し、送信振動子の帯域内変動を抑える文献の方法、すなわち整合抵抗の抵抗値を調整する方法を主に採用する。送信トランスデューサ内の前後の圧電セラミック積層体の直列抵抗をそれぞれ R1、R2 とすると、R1 と R2 の抵抗値を調整して帯域内での送信トランスデューサの平坦度を制御します。有限要素解析を通じて、さまざまな抵抗値の下での送信トランスデューサーの放射応答がシミュレートされます。設計された18～45kHzの二重共振送信トランスデューサを例にとると、シミュレーション分析は、図4に示すように送信応答が抵抗値曲線に従って変化することを示しています。図から、R1とR2を調整することで基本的に送信トランスデューサの周波数帯域の平坦性を制御できることがわかります。抵抗 R1 と R2 を最適化することにより、R1=940 Ω 、R2=330 Ωの場合、帯域内平坦性が向上すると結論付けることができます。 (図 4 の点線で示されています)、全体的な帯域内放射応答はあまり変化しません。

 

図 5-7 に示すように、実際の物理サイズと広帯域インピーダンス整合と組み合わせて、設計要件を満たし、包括的なシミュレーションで 3 ～ 18kHz、18 ～ 45kHz、および 45 ～ 100kHz の送信機電圧応答シミュレーション結果を得ることができます。それは図からわかります。図5〜7から、トランスデューサの送信電圧応答は周波数帯域で140dB以上であり、設計入力関連の技術指標の要件を満たしており、長距離の水中音響検出のためにより大きな音源レベルを提供できます。

水音響トランスデューサの受信部は、指向性受信を実現するために圧電セラミックリングの直列および並列接続を採用した 2 セットの水中聴音器アレイの組み合わせによって実現されます。このうち、1〜40kHzの周波数帯の水中聴音器は、2つの圧電セラミックリングを直列に接続した形で作られています。単一の水中聴音器の感度は -193dB 以上であり、直列接続後の水中聴音器の感度は -178dB 以上です。感度シミュレーション解析結果を図 8 に示します。ハイドロフォンには水平指向性はありません (バッフル調整可能な指向性を適用可能)、3kHz の垂直指向性は約 130 °です。シミュレーション結果を図 9 に示します。40kHz の垂直指向性は約 73 °であり、シミュレーション結果を図 9 に示します。 

 

 

11. 40〜100kHzの周波数帯域におけるハイドロフォンの受信部分は、2つの圧電セラミックリング直列構造を採用しています。動作周波数は40～100kHzの使用に対応できますが、感度は低くなります。直列接続後、ハイドロフォンの感度は-180dB以上になります。感度シミュレーションの結果は次のとおりです。図 11 に示すように、ハイドロフォンのレベルには指向性がなく (バッフルを適用して指向性を調整できます)、100kHz での垂直指向性は約 77 °です。シミュレーション結果を図 12 に示します。

有限要素法に基づくシミュレーション解析によれば、本論文で設計した複合トランスデューサは、送信および受信に関して設計入力要件を満たすことができ、主要な技術指標を満たしている。

 

 2.2 トランスデューサの開発

ブロードバンドを組み合わせた 球状の水中音響変換器を 小型ROMに搭載して使用します。広帯域音響検出のニーズを満たすことに基づいて、小型軽量設計に重点を置いています。本論文では、小型 ROM の全体構造設計と組み合わせて、最終的に開発したトランスデューサを図 13 に示します。具体的な設計構造を図 14 に示します。本論文で設計および開発した広帯域複合水中音響トランスデューサは、送信周波数範囲 3 ～ 100 kHz、受信周波数帯域 1 ～ 100 kHz をカバーし、物体の総質量は 9.4 kg (空中、ブラケットおよび接続ケーブルを含む)、サイズは328.5mm × 140mm × 240mm は、設計入力のサイズと品質要件よりも小さく、ROM 搭載容量の要件が軽減されます。トランスデューサはROM本体に適合して取り付けられており、取り付け後の実際のオブジェクトを図15に示します。シミュレーション解析結果は設計基準入力として使用できますが、その後の実際の開発およびデバッグプロセスでは、実際の使用要件を満たすために実際の測定状況に応じて調整する必要があります。

 

3 実験試験

広帯域複合水中音響トランスデューサーの送信部は3つの垂直ユニットを採用して3〜100kHzをカバーする使用周波数帯域を形成し、受信部は2つの独立したユニットを採用して1〜100kHzをカバーする使用周波数帯域を形成します。振動子の開き角を確保するため、両端で送信、中央で受信する全体レイアウトを採用しています。音響信号の内部反射と重畳を軽減するために、トランスデューサーの内部に音響防止バッフルが設計されています。同時に、受信部には調整可能な支持機構が採用されており、受信トランスデューサーの高さは実際の試験状況に応じて制限的に調整され、受信開口角度をさらに拡大して、トランスデューサーシェルとROV本体の閉塞と反射を回避します。開発完了後、トランスデューサーの実際の動作性能をさらに把握するために、通常実験室で使用される独立したトランシーバーテスト方法とは異なり、ここではトランスデューサーの総合音響性能指数テストが使用されます。すなわち、全体をROVに設置した後、実際の動作条件を模擬したトランスデューサのタンク試験を実施して、トランスデューサがROVに設置され、ROVの構造の影響を受けることをさらに確認して、トランスデューサの実際の動作条件を取得する。実際のパフォーマンスパラメータ。性能指標の実現を検証するために、無響プールで包括的なテストが実行されました。電波暗水プールの試験条件。室温25 ℃ 、試験ケーブル長3m、水深3m、周囲水温20 ℃ 、絶縁抵抗500MΩ 、静電容量51,000pF、試験距離6.2m。実際の測定結果を図16に示します。

 

 

ROV は、広帯域複合水中音響トランスデューサを取り付けて、水上艦の後流気泡の広帯域水中音響検出を実行し、後流気泡の関連する音響特性と後流の物理的サイズを取得するために使用されます。特定湖沼試験では、水上艦を用いて水面を高速に直接航行しました。船は長さ7.5メートル、幅3メートル、喫水0.35メートルでした。外部エンジンのプロペラは水深0.8mにありました。試験水域は湖の開けた場所で、平均水深は35m、測定点通過時の船速は10ノットです。この記事では、連続測定のためにROVに広帯域複合水中音響トランスデューサを搭載しています。繰り返しの測定では、異なる音響周波数の組み合わせが検出に使用され、図に示すようなウェイクバブル分布の測定結果が得られます。

 

 

図 18 から、船尾気泡サイズの実測値は 10 ～ 20 の高密度に集中していることがわかりますμ m。測定結果は、半径 10 ～ 20 の文献で示されている後流の最大気泡数密度と一致しておりμ m、トランスデューサが実際の作業環境でのテスト要件を満たしていることが証明されています。同時に、トランスデューサを使用して、水上艦の航行後に形成される後流気泡層を継続的に測定し、得られた後流気泡音響ターゲット強度情報に従って、現在の水中音響環境（音速、水深など）および事前データ（トランスデューサ感度、放射音源レベルの回路ゲインなど）を組み合わせ、対応する処理アルゴリズムに従って推定し、図19に示すような深さと時間による気泡強度曲線を取得します。 図19からわかるように、図19から次のことがわかります。後流気泡の継続時間は約 173 秒、実際に測定された中流後流気泡の厚さは 1.46 m であり、これは従来の後流計算式によって与えられる経験式と基本的に一致しています。要約すると、無響プールでの全体的な測定テストを通じて、測定結果は、トランスデューサの実際の性能がシミュレーション結果と基本的に一致していることを示しています。 ROVプラットフォームに搭載し、実際に湖上での航行試験により検証します。テスト結果は、トランスデューサが広い周波数帯域をカバーし、構造が小さく、測定結果が基本的に経験式と一致していることを示しています。測定データは信頼性が高く、水上艦の航跡気泡の要件を満たすことができます。

 

 4 結論

 

 この論文は、低周波から高周波までの広帯域動作周波数帯域を備えた統合統合トランスデューサの設計方法を提案します。この方法は、送信端が3〜100kHzをカバーし、受信端が1〜100kHzをカバーし、開口角が70 °以上であることを特徴とします 。独立したトランシーバーレイアウトを採用し、両端で送信、中央で集中受信、内部音響バッフル構造設計。トランスデューサの内部コンポーネントは統合されており、防水コネクタを介して出力されるため、外部接続の複雑さが軽減されます。トランスデューサの中央支持構造により、トランスデューサ全体の重心を調整できるため、ROV などの小型水中ビークルの適応と設置に便利です。トランスデューサーのオープン レイアウト、金属サポートによる機械的耐荷重により、トランスデューサー全体の重量が軽減されます。デバイスの品質とサイズにより、フィット感が向上します。このトランスデューサは、小型サイズの制約の下で、広い動作周波数帯域、より大きな開口角、およびより軽量なという利点を持っています。この技術は小型 ROM への適用に成功し、小型 ROM プラットフォーム上での超広帯域水中音響試験の問題を解決しました。軍事的および民間的価値が高い。