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軍用潜水艦通信と民生用水中通信のニーズから始まった、単方向平面型 水中水音響トランスデューサを作製し、ポイントツーポイント通信の原理に基づいてトランスデューサの送信機と受信機の駆動回路を設計した。共振周波数150kHzの水中音響トランスデューサを水域に設置し、回路に接続することで長距離水中通信機能を実現します。回路は自己設計の実験プラットフォームでテストされました。テスト結果は、製造されたトランスデューサはより高い放出電圧応答と感度、単一指向性を有し、水中音響通信回路は調整可能な周波数を有し、通信は明瞭で安定していることを示した。水中音響通信回路は軍事および民間通信に使用でき、移動や持ち運びが簡単で、デバッグも簡単です。海水による電磁波、光波、その他のエネルギー形態の吸収と、深海の「収束ゾーン」の存在により、音波は現在、水中で長距離にわたって無線で信号を送信できる唯一知られているエネルギー形態です。振動周波数が20kHzを超える音波を超音波と呼びます。超音波は通常の音波と比べて指向性が良く、透過力が強く、反射性能が優れています。そのため、情報伝達、損傷検出、距離検査、医療・健康分野などで広く利用されています。しかし、音波は周波数が高くなるほど伝播過程で水路内でのエネルギー損失が大きくなるため、水路の利用可能な帯域幅が狭くなり、情報容量が小さくなります。したがって、送受信駆動回路の性能は水中音響通信の品質に重要な役割を果たします。前世紀に、米国ハリス音響製品会社、フランス、英国は、水中船舶通信に適した水中音響通信機を開発しました。彼らは単側波帯変調を使用し、信号の送受信の「窓」として大容量のハイドロフォンを使用しました。一定距離の水中通信を実現するためには、装置が複雑で、トランスデューサーが大きく、指向性が十分に鋭くないため、民生用には適さない。流路シミュレータ上でLinux信号処理ソフトをベースとしたアナログ通信システムを構築 長距離通信を実現しますが、設計上の理想的な流路は実際の水路とは異なります。他の研究者は、DSPチップを情報処理モジュールとして使用し、並列結合マッピングシーケンススペクトラム拡散に基づく水中通信システムを構築し、プラットフォーム間の水中での隠蔽された高速情報伝送を実現した。ただし、555 タイマーは伝統的に、トランスデューサーの駆動回路を駆動するために特定の振動周波数の搬送波を生成するために使用されており、生成された波形の周波数安定性は比較的劣っています。また、最近登場した DSP チップ処理技術には複雑なアルゴリズムがあり、さまざまな水域に合わせて実行する必要があります。複雑な計算修正や補償金は民間分野での大規模な推進には適さない。さらに、開発された通信回路の信号送受信装置で使用されるプローブは十分に鋭利ではなく、電力が集中せず、帯域幅が比較的狭いため、信号の送受信には適していません。しかし、ほとんどの超音波トランシーバーは水路の運用には適しておらず、実際の民間および軍事のニーズを満たすことができません。
1) 少量ベース 単一指向性水中音響トランスデューサの開発にあたり、本論文では、両側波帯変調とコヒーレント復調方式を用いて、水中通信に適した送受信駆動回路を開発しました。水中音響通信回路は高い周波数帯域を利用し、0 kHz ～ 12 に適した周波数調整が可能です。5 MHz 周波数範囲のトランスデューサーの通信距離は最大 100 メートルです。送信および駆動回路、受信および駆動回路、および回路内の送信トランスデューサーとハイドロフォンは、一緒になって一組の水音響通信システムを形成します。このシステムは、送信機とハイドロフォンを信号交換の「窓」として使用し、STM32F103RCT6 と AD9833 をキャリア信号源として使用し、関連するモデムコンポーネントを組み合わせて、最終的に安定したクリアな通信を実現します。
1 トランスデューサの製造
１－３の圧電複合材料とは、３次元的に連結した高分子中に１次元的に連結した圧電セラミックスの柱を並列させて形成された材料をいう。純粋なセラミック圧電材料 1 ～ 3 の圧電複合材料と比較して、損傷検出や送信および受信トランスデューサの製造において優れた効果を発揮します。したがって、このシステムの音響波送受信モジュールは、研究室で開発された1-3圧電複合材料で作られた平面超音波トランスデューサを採用しています。これは、1-3圧電複合平面感応素子、防水通音層、電極リード、および高品質の発泡体と金属カバーで構成される硬質で構成されています。トランスデューサを作成する前に、モデルのアーキテクチャとシミュレーション計算に ANSYS 有限要素シミュレーション ソフトウェアを使用する必要があります。
1-3圧電複合センサーのシミュレーション
ANSYS 有限要素シミュレーション ソフトウェアでは、まずエポキシ樹脂の単位種類、密度、ポアソン比、ヤング率を設定し、圧電セラミックスの密度、剛性マトリクス、誘電率マトリクス、圧電マトリクスを設定します。次に、1-3 圧電複合材料モデルの構造を設定します。長さ 100 mm、幅 100 mm、厚さ 10 mm の平面で、ポリマー相の幅は 0.28 mm、圧電セラミック柱の幅は 1.44 mm、高さは 10 mm です。このようにして、複合材料中のＰＺＴ圧電セラミック小柱の体積分率は５１．８４％となる。 1-3複合材料のモデルには二相材料が含まれるため、シミュレーション計算を行う際の計算量が多くなります。計算量を軽減するため、１－３圧電複合材料を１ユニット選択してシミュレーション計算を行う。 1-3 圧電複合材料モデルの構造図と圧電セラミック柱の立体図は以下のとおりです。
1～3種類の圧電複合材料要素をメッシュ化し、要素のZ軸(長さ)周りの境界に対称境界条件を付加し、圧電セラミックスの上面にZ軸の正方向に1Vの電圧を加え、Z=0の下面に0Vの電圧を加えます。周波数解析タイプを設定し、周波数解析範囲(50～250kHz)とステップ数)を選択して解析し、ポストプロセスで得られたアドミッタンス図を図 2 に示します。図 2 から、トランスデューサが周波数要件を満たしており、設定されたパラメータに従って高感度コンポーネントを作成できることがわかります。
1-3型圧電複合センサは、長さ100mm、幅100mm、厚さ10mmの圧電セラミックブロックで構成されています。模型の設計に合わせて縦横方向にカットし、エポキシ樹脂618を注入します。24時間放置後、裏面も同様にカットし、厚み方向に余分なエポキシ樹脂を研磨して1-3型を作成します。圧電複合材料。複合材料の表面をアルコールで洗浄し、エポキシ樹脂の研磨により破壊された電極を銀ペーストで補い、最後に1-3圧電複合材料の感応素子を作製します。敏感なコンポーネントをテストするには、Agilent 4294A インピーダンス・アナライザを使用します。試験結果は、1-3 型圧電複合材料センサーの共振周波数が 151 kHz のときの帯域幅が 1 であることを示しています。 71 kHz、音響インピーダンスは 17.47 Pa・s/m3、導電率値は 104.6 mS、電気機械結合係数は 0.68。機械的品質係数は 88.18. 感受性材料の試験結果は良好です。
1.3 高周波単一指向性プレーナの作製 水中音響変換器 エポキシ樹脂を主成分とするポリウレタンにグラファイトを加えて撹拌し、必要な防水通音層を作り、振動子のサイズに合わせて型を作り、注入・封止し、最終的に高周波一指向性平面水中音響変換器を製作しました。
1.4 振動子性能試験
トランスデューサの性能テストには、主に送信電圧応答、受信感度、指向性性能の測定が含まれます。通常、トランスデューサーの指向性の測定は、その指向性パターンを描くために使用されます。測定中、方位角によるトランスデューサの送信応答または受信感度を測定する目的を達成するために、テスト対象のトランスデューサを回転させ、変換後にトランスデューサの指向性パターンを取得します。
2 回路設計
ポイントツーポイント通信方式と電力利用率を考慮して、この記事では両側波帯 (DSB) 信号変調とコヒーレント復調を採用しています。変調原理は式 (1) に示されます。 uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) 復調原理は式 (2) に示されます。 uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) (2) ここで、 uDSB は変調された信号です。 uc (t) は変調された信号です。 uΩ (t) は搬送波信号です。 DSB 変調回路の本質的な機能は乗算器であり、キャリア信号を使用して、ベースバンド信号によって運ばれる情報を転送します。復調中、変調された信号は同じ周波数と位相の搬送波で乗算され、その後バンドパス フィルターを通過して元の信号が取得されます。信号伝送に必要なエネルギー変換装置には、今回作製した平面型超音波振動子を採用しています。送受信駆動回路方式の原理を示します。
2.1 回路モジュール
STM32F103RC シングルチップマイコンは、Cortex-M3 コアを採用しており、CPU 速度は最大 72 MHz です。 51、52モデルのシングルチップマイコンに比べ命令実行速度が速く、体積が小さく、集積化が容易です。 AD9833は低消費電力で、
プログラム可能な信号生成モジュール。特定の周波数範囲で正弦波、方形波、三角波を生成するようにプログラムできます。その上の FSYNC ポートは入力レベルのトリガー ポートであり、フレーム同期およびイネーブル信号として機能します。 FSYNC が Low の場合、データを転送できます。さらに、AD9833 には 16 ビットの制御レジスタがあります。制御レジスタをプログラムすることにより、AD9833 はユーザーが要求する状態で動作することができます。 STM32F103RC モデルのシングルチップ マイクロコンピュータを使用して AD9833 信号生成モジュールを制御すると、正弦波歪みが少なくなります。この回路は、安定した 5 V および 12 V の電圧を提供できる TPS5430 スイッチング電源モジュールによって電力を供給され、信号伝送の歪みや遅延を回避します。
外部オーディオ信号が駆動回路に入力されると、乗算器 AD835 モジュール内の搬送波生成モジュールによって生成された 150 kHz の正弦波と乗算され (両側波帯変調ステップ)、バンドパス フィルターによって乗算器出力信号のノイズの一部が除去されます。生成された信号はパワーアンプで増幅された後、送信トランスデューサーに接続され、最後に送信トランスデューサーから水中に信号が送信されます。両側波帯変調は、ベースバンド信号を搬送周波数に移動して多重化を実現し、チャネル利用率を向上させることができます。次に、信号帯域幅が拡大し、システムの耐干渉能力が向上し、信号対雑音比が向上します。この駆動回路では、パワーアンプが信号を増幅してトランスデューサーを駆動して動作させます。外部オーディオ信号は、携帯電話などの電子機器のイヤホンジャックによって伝達される音楽、または外部音声がマイクモジュールを介して変換されて伝達される信号であり得る。
2.3 受信・駆動回路
送信トランスデューサが音波信号を水路に送信した後、対応する受信駆動回路が水路で信号を受信し、元の変調信号を復元する必要があります。この記事で設計した受信駆動回路の動作原理。受信ドライブ回路がチャンネル内の信号を受信した後、信号は高周波ワイヤーを通してハイパスフィルターに渡され、回路で発生してチャンネルに混入したノイズが除去されます。次に、この信号と 150 kHz の正弦波が乗算器 AD835 モジュールで乗算されます。乗算演算の出力は同軸高周波ケーブルを介してバンドパスフィルターに伝送され、必要な周波数範囲の信号が選択されます（コヒーレント復調ステップ）。最後に、パワーアンプ モジュール TDA2030A を使用してスピーカー モジュールを駆動し、復調された信号がオーディオの形式で再生されます。このシステムでは、各モジュールの電圧を安定して動作させるために、送信駆動回路と受信駆動回路の両方に電圧安定化モジュールTPS5430を使用する必要があり、フィルターはすべて4次アクティブフィルターです。変調および復調プロセスで使用される搬送波はすべて同じ周波数であり、STM32F103RC マイクロコントローラによってプログラムされた後、アクティブな AD9833 モジュールによって生成されます。
3 実験による検証
3.1 水音響通信の検証
このシステムの機能を検証するために、半径約100mの湖で水中音響通信試験を実施しました。送信トランスデューサと受信トランスデューサを送信します
受信機は湖の直径方向の両側にそれぞれ配置され、それぞれ送信駆動回路と受信駆動回路に接続されている。人間の声の周波数は一般に倍音成分を多く含む8〜10kHzの範囲にあるため、変調信号として楽曲のオーディオ信号がランダムに選択されます。信号はオシロスコープで表示されます。元のオーディオ変調信号は図 7(a) に示され、AD9833 によって出力される 150 kHz キャリア信号は図 7(b) に示されます。
キャリア信号とオーディオ変調信号は乗算器に入力され、予備変調が行われます。オシロスコープで測定した後の乗算器の出力信号を図 8 に示します。
図 8 の周波数表示によれば、両側波帯変調則に準拠しています。乗算器の出力信号は同軸ケーブルを介してパワーアンプに入力され、より小さな歪み範囲で信号のパワーが増加してトランスデューサーを駆動して信号を出力します。オシロスコープで表示される送信トランスデューサ入力。信号を図 9 に示します。
図 9 では、バリが消えている、つまり回路によって生成されたノイズが除去されていることがわかります。受信トランスデューサ、つまりハイドロフォンは、図 10 に示すようにチャネルから信号を受信します。
ハイドロフォンによって受信される信号には、オーディオ信号、ノイズ、およびチャネル内のマルチパス効果によって引き起こされる重畳信号の一部が含まれており、その結果、一部の信号波形にグリッチやオーバーラップが発生します。受信信号はハイパスフィルターで低周波ノイズや重畳信号を除去した後、乗算器とバンドパスフィルターで構成されるシステムで150kHzの正弦波で復調して元のベースバンド信号を復元し、パワーアンプモジュールTDA2030Aでスピーカーを駆動します。オリジナルの音声信号が歪みなく放送されます。放送オーディオ信号は、オリジナルの音楽信号です。受信駆動回路によって復元されたオーディオ信号は、図 11 の下の波形に示されています。
図 11 に 2 つの波形の比較を示します。上の部分はハイドロフォンで受信した信号を示し、下の部分は復元された音声信号の波形を示しています。オーディオ復元効果は良好です。元のオーディオ信号と復元されたオーディオ信号の波形が比較され、元のオーディオと実際のオーディオの音質が比較されます。結果は、このシステムが 150 kHz の高周波一方向平面水音響トランスデューサーを駆動できることを示しています。音声信号を高品質で伝送でき、放送側の音声はクリアで安定しています。
3.2 周波数調整能力の検証
システムと整合トランスデューサーが正常に動作していることを確認した後、システムの周波数の調整可能性を確認するために 2 番目の実験が実行されます。信号生成モジュールをプログラムして、実験室で作成された 300 kHz トランスデューサーに適合するように変更します。信号伝達効果をテストします。オーディオ変調信号を図 12(a) に示し、新しく復元されたオーディオ信号を図 12(b) に示します。
オシロスコープで検出された信号波形は、伝送されたオーディオ信号を表します。図 12(b) の上部はハイドロフォンによって受信された信号であり、下部は復元されたオーディオ信号波形です。システムの入力および出力オーディオ信号を比較および分析することにより、システムが高品質のオーディオ信号を送信できる、つまり、システムが特定の周波数範囲内の異なる共振周波数の信号に適応できることがわかります。
3. パフォーマンス指標分析
まず、高周波で正確に情報を伝送できる条件下では、このシステムの伝播距離は150kHzで100m以上あり、多くの水中通信システムが信号伝送品質を犠牲にして達成している水中音響通信距離100m未満をはるかに上回っている。第二に、送信情報帯域幅の性能に関しては、市場にある約200Hzの帯域幅を持つ多くの水中音響通信システムと比較して、このシステムの送信帯域幅は1.71kHzに達することができ、通信中の音声信号の歪みを大幅に回避できます。最後に、音声通信の品質に関しては、最後の受信側で放送された音声の明瞭度が測定基準として使用されます。ノイズが大きく信号が不鮮明な多くの民間水上音声通信装置と比較して、このシステムは同じ湖の条件下でテストされています。音声はクリアで安定しています。
4 結論
この記事では、ポイントツーポイント通信と水中音響通信の実用化に基づいて、一連の水中音響通信回路を設計します。まず、トランスデューサ設計の関連理論と実験室の結果に基づいて、トランスデューサの構造をANSYS有限要素シミュレーションソフトウェアでシミュレーションし、高性能感応材料PZT5-Aを圧電セラミック機能材料相として使用し、エポキシ樹脂618をポリマー相として使用して切断および充填方法を実行し、圧電柱のギャップを充填して一方向1-3型圧電複合材料を作成します。水力音響平面トランスデューサー。そして、作製したトランスデューサを通信システムに使用し、安定した構造で明瞭な通信を行う水中音響通信回路を開発した。この回路は効果的な水中通信を実現でき、変復調回路の設計と搬送信号の周波数の調整により、超音波プローブとのマッチングも可能で、長距離探傷や距離測定の機能も実現します。
