Reka Bentuk, Pembangunan dan Aplikasi Transduser Akustik Bawah Air Gabungan Jalur Lebar

pengenalan

 

Lautan bukan sahaja merupakan khazanah penting perikanan dan sumber mineral, tetapi juga kedudukan penting bagi negara untuk mengekalkan keselamatan negara dan perjuangan ketenteraan. Oleh itu, teknologi akustik bawah air telah menjadi cara penting untuk penerokaan dan pembangunan sumber marin semasa, komunikasi dan navigasi kapal bawah air, pengesanan dan pengecaman sasaran bawah air, serta pemantauan alam sekitar marin dan ramalan bencana alam. The transduser akustik bawah air ialah pembawa pancaran dan penerimaan gelombang bunyi dalam teknologi akustik bawah air, dan tahap teknikalnya secara langsung mempengaruhi atau bahkan menentukan kesan realisasi akhir teknologi akustik bawah air. Pengesanan sonar aktif dan penerokaan sumber marin memerlukan transduser dengan frekuensi rendah, kuasa tinggi dan saiz kecil. Simulasi hingar dan penentukuran sonar memerlukan transduser akustik bawah air dengan ciri frekuensi ultra rendah dan jalur lebar ultra. Dalam bidang komunikasi akustik dalam air, transduser akustik dalam air dikehendaki mempunyai ciri kecekapan tinggi, jalur ultra lebar, kepekaan tinggi dan jalur dalam rata. Secara umumnya, transduser akustik bawah air sedang berkembang ke arah frekuensi rendah, jalur lebar, kuasa tinggi, saiz kecil dan air dalam. Transduser air dalam menggunakan kaedah curahan dalaman untuk berfungsi pada kedalaman sehingga 11,000m, dan menggunakan gandingan rongga minyak dalaman dan bahagian struktur untuk membentuk getaran berbilang mod, yang meluaskan jalur frekuensi transduser. Rongga berbilang resonan dibentuk oleh tiub bulat yang melimpah dengan saiz yang berbeza, dan kekerapan kerja boleh diselaraskan dengan menukar saiz tiub bulat untuk mendapatkan transduser yang lebih luas.

 

Lebar lebar julat frekuensi ialah 200Hz~2kHz. Diameter bagi transduser hidrofon bawah air ialah 250mm dan panjangnya ialah 500mm. Jalur liputan ialah 7~15kHz, paras sumber bunyi ialah 200dB, sensitiviti penerimaan ialah -176dB, dan kedalaman bawah air yang berfungsi ialah 11000m. Transduser yang dibangunkan baru-baru ini mempunyai saiz Diameter ialah 240mm, panjang ialah 420mm, jalur frekuensi liputan ialah 1.8 ～ 8.0kHz, tindak balas penghantaran ialah 144dB, dan turun naik dalam jalur kurang daripada 6dB. Ringkasnya, transduser akustik dalam air luar negara telah meliputi keseluruhan jalur frekuensi kerja, malah meliputi seluruh kawasan air, dan telah membentuk skala tertentu dalam kejuruteraan, penyirian dan generalisasi, mewakili tahap lanjutan industri. Institut penyelidikan domestik dan unit lain yang berkaitan telah menjalankan banyak penyelidikan dan eksperimen, dan telah mencapai keputusan tertentu. Walau bagaimanapun, masih terdapat jurang tertentu dalam teknologi utama dan teknologi pemprosesan transduser akustik dalam air berbanding dengan negara asing, terutamanya dalam Keperluan yang semakin meningkat untuk jalur ultra lebar, saiz kecil dan prestasi tinggi dalam pengesanan akustik dalam air memerlukan penyelidikan yang mendalam. Keperluan pembangunan .Dengan perkembangan teknologi pengurangan hingar kapal di pelbagai negara, tahap hingar kapal dan sasaran bawah air telah dikurangkan secara beransur-ansur. Senjata dan peralatan bawah air seperti torpedo kebanyakannya menggunakan transduser akustik bawah air jalur lebar untuk mengembangkan julat pengesanan dan meningkatkan akustik bawah air yang kompleks. Keupayaan pengesanan dan ketepatan pukulan di bawah latar belakang gema meningkatkan keupayaan pengecaman sasaran bawah air. Di samping itu, sebagai tindak balas kepada pelbagai angkatan laut, agensi perisikan, entiti ekonomi, dan juga organisasi pengganas antarabangsa, Dalam penggunaan frogmen, kenderaan bawah air autonomi (AUV), dan kapal selam mikro untuk peninjauan, sabotaj, letupan, dan operasi peletakan periuk api sering dijalankan dalam operasi berskala kecil. Kapal selam tanpa pemandu (ROV) dikawal jauh dan kenderaan bawah air lain dilengkapi dengan pelbagai peralatan pengesanan untuk perlindungan keselamatan, dan keperluan khusus dikemukakan untuk penunjuk teknikal utama sonar mereka. Dalam makalah ini, bertujuan untuk keperluan pengesanan akustik bagi buih bangun kapal permukaan, model direka bentuk dan dibangunkan dengan 3 ~ 100kHz jalur lebar ultra-lebar fungsi penerimaan dan penghantaran, yang boleh menjalankan pengukuran akustik dalam air masa nyata bagi buih bangun kapal pada sudut bukaan yang besar, dan memerlukan satu sama lain fungsi penerimaan dan penghantaran. Dan boleh dikawal, struktur keseluruhannya perlu padat, saiz fizikalnya kecil, dan ia mudah dipasang dan digunakan pada ROM kecil. Memandangkan keperluan sebenar dan keadaan kerja sebenar, penunjuk teknikal utama transduser yang diterangkan dalam artikel ini adalah seperti berikut: 1) Kekerapan pemancaran ialah 3~100kHz, dan frekuensi penerimaan ialah 1~100kHz. 2) Tahap sumber bunyi pelepasan ≥ 189dB. 3) Menerima sensitiviti ≥ -180dB. 4) Turun naik dalam jalur ≤ 6dB. 5) Lebar rasuk (mendatar) ≥ 90° (-3dB). 6) Lebar rasuk (menegak) ≥ 70° (-3dB). 7) Kedalaman air bekerja ≥ 500m. 8) Dimensi ≤ 350mm × 150mm × 250mm. 9) Jisim ≤ 10kg. Antaranya, ROV ialah struktur pengesanan yang kecil, dan kapasiti tampungnya adalah terhad, jadi transduser mestilah sekecil mungkin, ringan, dan mudah dilaksanakan di bawah premis penunjuk prestasi memenuhi.

 

2 Reka bentuk dan pembangunan transduser

 

2.1 Reka bentuk transduser dan analisis simulasi

The transduser silinder bawah air tergolong dalam struktur penerimaan dan penghantaran yang berasingan. Hujung pemancaran direalisasikan dengan menggunakan tiga struktur rod komposit pemancar transduser, dan jalur frekuensi yang sepadan ialah 3 ～ 18kHz, 18 ～ 45kHz, 45 ～ 100kHz; hujung penerima direalisasikan dengan menggunakan 2 hidrofon siri cincin seramik piezoelektrik, dan jalur frekuensi masing-masing Ia adalah 1-40kHz, 40-100kHz. Pangkalan transduser pemancar dan penerimaan yang disebutkan di atas dibungkus secara keseluruhan, dan penyekat anti-akustik direka bentuk di dalamnya. Selepas pakej disepadukan, jumlah jisim adalah kira-kira 9kg. Bentuk keseluruhan transduser ialah kuboid yang tidak teratur. Saiz asas adalah kira-kira 310mm × 150mm × 220mm. Penampilan ditunjukkan dalam Rajah 1. Kabel utama boleh disambungkan ke peralatan elektronik sonar luaran dalam bentuk penyambung.

 

Mensasarkan keperluan indeks teknikal utama transduser akustik bawah air dalam artikel ini, digabungkan dengan skema reka bentuk di atas, analisis simulasi prestasi penghantaran dan penerimaannya dijalankan. Oleh kerana struktur kompleks transduser yang direka dalam kertas ini dan liputan jalur frekuensi yang luas, kaedah analisis teori tidak sesuai untuk pengiraan dan simulasi. Seperti yang kita sedia maklum, kaedah unsur terhingga ialah kaedah simulasi berangka yang digunakan secara meluas dalam amalan kejuruteraan semasa. Gunakan perisian ANSYS untuk mensimulasikan kawasan air medan bebas dan wujudkan model transduser yang dipermudahkan. Pilih satu titik dalam unit medan jauh terus di hadapan penutup hadapan untuk mengira tekanan bunyi, dan kemudian tindak balas voltan pemancar transduser boleh ditukar. Dalam unit medan jauh, pilih tekanan bunyi dalam setiap arah pada jarak tertentu di sepanjang pusat transduser untuk mengira sudut terbuka arahan pelepasan transduser. Memandangkan transduser rod komposit mempunyai simetri paksi, model unsur terhingga transduser simetri 2D dipilih untuk analisis unsur terhingga. Apabila menggunakan pengiraan ANSYS, adalah perlu untuk mempertimbangkan pengaruh air pada transduser. Biasanya kesan yang setara adalah polo air, dan kemudian beban digunakan untuk mengira penyelesaian. Model transduser di dalam air ditunjukkan dalam Rajah 2 dan 3..

 

Ia boleh dilihat daripada Rajah 2 dan 3 bahawa transduser pemancar direka dengan jalur lebar puncak dwi-resonans. Kekerapan resonan unit 3~18kHz transduser pemancar ialah 5kHz, 14kHz, dan frekuensi resonans unit 18~45kHz ialah 20kHz, 40kHz, dan frekuensi resonans 45~100kHz, 55k. Unit 1-40kHz hidrofon penerima menggunakan gelang piezoelektrik, dan frekuensi resonan gelang tunggal lebih besar daripada 40kHz untuk memastikan jalur frekuensi kerja rata. Struktur dua siri dan dua selari dalaman meningkatkan sensitiviti dan kestabilan; unit 40-100kHz hidrofon penerima menggunakan bahan Komposit piezoelektrik, frekuensi resonans lebih besar daripada 100kHz untuk memastikan kerataan dalam jalur. Dalam kertas ini, persamaan unsur terhingga digunakan sebagai MU ¨ + CU · +KU = F (1) di mana: M ialah matriks jisim; C ialah matriks redaman; K ialah matriks kekakuan; U ialah vektor anjakan nod; F ialah vektor beban. Tahap tindak balas voltan pelepasan TVR ialah TVR = 20lg p RV + 120 (2) di mana: p ialah tekanan bunyi nod; R ialah jarak dari nod ke pusat setara sumber bunyi; V ialah voltan yang dikenakan. Ekstrak tekanan bunyi p nod pada paksi akustik dalam ANSYS, dan hitung keluk tindak balas pelepasan transduser. Dalam reka bentuk sebenar, bahagian pemancar transduser akustik bawah air terdiri daripada tiga jenis transduser pemancar rod komposit, yang merealisasikan pelepasan arah jalur lebar dan menekan sinaran belakang pada masa yang sama. Transduser pemancar meliputi julat frekuensi yang luas dan digunakan terutamanya untuk pengukuran akustik dalam air. Ia perlu mempunyai kerataan dalam jalur yang baik untuk memastikan ketepatan pengukuran akustik dalam air. Dalam kejuruteraan, kaedah seperti mengoptimumkan saiz kepala pancaran transduser, atau mengawal pengoptimuman fasa untuk mengurangkan turun naik dalam jalur, dan rintangan siri pada tindanan seramik piezoelektrik sebelum dan selepas transduser pelepasan dwi-resonans (atau 'dual excitation') sering digunakan. , Untuk mengurangkan lagi turun naik tindak balas voltan pemancar transduser dalam jalur frekuensi kerja. Kertas ini mempertimbangkan saiz dan kualiti transduser yang dipasang pada ROM kecil, serta struktur pemasangan keseluruhan, dan terutamanya menggunakan kaedah kesusasteraan untuk menyekat turun naik dalam jalur transduser pemancar, iaitu kaedah melaraskan rintangan perintang yang sepadan. Dengan mengandaikan bahawa rintangan siri susunan seramik piezoelektrik hadapan dan belakang di dalam transduser pemancar adalah R1 dan R2, nilai rintangan R1 dan R2 dilaraskan untuk mengawal kerataan transduser pemancar dalam jalur. Melalui analisis unsur terhingga, tindak balas pelepasan transduser pemancar di bawah nilai rintangan yang berbeza disimulasikan. Mengambil transduser pemancar dua resonans 18~45kHz yang direka bentuk sebagai contoh, analisis simulasi menunjukkan bahawa tindak balas pemancar berbeza-beza dengan keluk nilai rintangan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Ia boleh dilihat daripada rajah bahawa pelarasan R1 dan R2 pada asasnya boleh mengawal kerataan dalam jalur frekuensi transduser pemancar. Dengan mengoptimumkan rintangan R1 dan R2, dapat disimpulkan bahawa apabila R1=940 Ω , R2=330 Ω , ia mempunyai kerataan dalam jalur yang lebih baik. (Ditunjukkan oleh garis putus-putus dalam Rajah 4), dan tindak balas pelepasan dalam jalur keseluruhan tidak banyak berubah,

 

Ia boleh memenuhi keperluan reka bentuk, digabungkan dengan saiz fizikal sebenar dan padanan impedans jalur lebar, simulasi komprehensif boleh mendapat 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz dan 45 ~ 100kHz pemancar hasil simulasi tindak balas voltan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5-7. Ia boleh dilihat daripada Rajah. 5-7 bahawa tindak balas voltan pemancar transduser adalah tidak kurang daripada 140dB dalam jalur frekuensi, yang memenuhi keperluan penunjuk teknikal berkaitan input reka bentuk, dan boleh memberikan tahap sumber bunyi yang lebih besar untuk pengesanan akustik bawah air jarak jauh.

Bahagian penerima transduser hidroakustik direalisasikan dengan gabungan dua set tatasusunan hidrofon, yang setiap satunya menggunakan sambungan siri dan selari gelang seramik piezoelektrik untuk mencapai penerimaan arah. Antaranya, hidrofon jalur frekuensi 1-40kHz dibuat dalam bentuk dua gelang seramik piezoelektrik yang disambungkan secara bersiri. Kepekaan hidrofon tunggal tidak kurang daripada -193dB, dan sensitiviti hidrofon selepas sambungan siri tidak kurang daripada -178dB. Keputusan analisis simulasi sensitiviti ditunjukkan dalam Rajah 8. Hidrofon tidak mempunyai kearah mendatar (kearah boleh laras penyekat boleh digunakan), dan kearah menegak 3kHz adalah kira-kira 130 ° . Keputusan simulasi ditunjukkan dalam Rajah 9. Kearah menegak 40kHz adalah kira-kira 73 ° , dan keputusan simulasi ditunjukkan dalam Rajah 

 

 

11. Bahagian penerima hidrofon dalam jalur frekuensi 40~100kHz menggunakan dua struktur siri gelang seramik piezoelektrik. Kekerapan kerja boleh memenuhi penggunaan 40 ~ 100kHz, tetapi sensitivitinya rendah. Selepas sambungan siri, sensitiviti hidrofon tidak kurang daripada -180dB. Keputusan simulasi kepekaan adalah seperti berikut Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 11. Tahap hidrofon tidak mempunyai kearah arah (sekat boleh digunakan untuk melaraskan kearah), dan kearah menegak pada 100kHz adalah kira-kira 77 ° . Keputusan simulasi ditunjukkan dalam Rajah 12

Menurut analisis simulasi berdasarkan kaedah elemen terhingga, transduser gabungan yang direka dalam kertas ini boleh memenuhi keperluan input reka bentuk dari segi penghantaran dan penerimaan, dan penunjuk teknikal utama berpuas hati.

 

 2.2 Pembangunan transduser

Jalur lebar digabungkan transduser akustik bawah air sfera dipasang pada ROM kecil untuk digunakan. Atas dasar memenuhi keperluan pengesanan akustik jalur lebar, ia memberi tumpuan kepada reka bentuk saiz kecil dan ringan. Dalam kertas kerja ini, digabungkan dengan reka bentuk struktur keseluruhan ROM kecil, transduser akhir yang dibangunkan ditunjukkan dalam Rajah 13. Struktur reka bentuk khusus ditunjukkan dalam Rajah 14. Transduser akustik bawah air gabungan jalur lebar yang direka dan dibangunkan dalam kertas ini meliputi julat frekuensi pemancaran 3~100kHz, jalur frekuensi penerima 1~10kg, dan jumlah objek fizikal ialah 1~10kg. (di udara, termasuk pendakap dan kabel sambungan), saiznya ialah 328.5mm × 140mm × 240mm, yang lebih kecil daripada saiz dan keperluan kualiti dalam input reka bentuk, mengurangkan keperluan kapasiti membawa ROM. Transduser dipadankan dan dipasang pada badan ROM, dan objek sebenar selepas pemasangan ditunjukkan dalam Rajah 15. Hasil analisis simulasi boleh digunakan sebagai input rujukan reka bentuk, tetapi dalam proses pembangunan dan penyahpepijatan sebenar yang berikutnya, ia perlu diselaraskan mengikut situasi pengukuran sebenar untuk memenuhi keperluan penggunaan sebenar.

 

3 Ujian eksperimen

Bahagian pemancar jalur lebar gabungan transduser akustik bawah air menggunakan 3 unit menegak untuk membentuk jalur frekuensi kerja meliputi 3~100kHz, dan bahagian penerima menggunakan 2 unit bebas untuk membentuk jalur frekuensi kerja meliputi 1~100kHz. Susun atur keseluruhan pemancaran di kedua-dua hujung dan penerimaan di tengah diguna pakai untuk memastikan sudut pembukaan transduser. Penyekat anti-akustik direka bentuk di dalam transduser untuk mengurangkan pantulan dalaman dan superposisi isyarat akustik. Pada masa yang sama, mekanisme sokongan boleh laras diguna pakai di bahagian penerima, dan ketinggian transduser penerima diselaraskan secara terhad mengikut situasi ujian sebenar untuk mengembangkan lagi sudut bukaan penerima untuk mengelakkan oklusi dan pantulan cangkang transduser dan badan ROV. Selepas pembangunan selesai, untuk mendapatkan lagi prestasi kerja sebenar transduser, yang berbeza daripada kaedah ujian transceiver bebas yang biasanya digunakan di makmal, ujian indeks prestasi akustik keseluruhan transduser digunakan di sini. Iaitu, selepas keseluruhannya dipasang pada ROV, ujian tangki transduser dijalankan di bawah simulasi keadaan kerja sebenar untuk mengesahkan lagi bahawa transduser dipasang pada ROV dan dipengaruhi oleh struktur ROV, untuk mendapatkan keadaan kerja sebenar transduser. Parameter prestasi sebenar. Ujian komprehensif telah dijalankan dalam kumpulan anechoic untuk mengesahkan realisasi penunjuk prestasinya. Keadaan ujian kolam air anechoic. suhu bilik ambien ialah 25 ℃ , panjang kabel ujian ialah 3 m, kedalaman air ialah 3 m, suhu air ambien ialah 20 ℃ , rintangan penebat ialah 500 M Ω , kapasitansi statik ialah 51,000 pF, dan jarak ujian ialah 6.2 m. Keputusan pengukuran sebenar ditunjukkan dalam Rajah 16

 

 

ROV digunakan untuk melekapkan transduser akustik bawah air gabungan jalur lebar untuk melakukan pengesanan akustik bawah air jalur lebar bagi buih bangun kapal permukaan, dan mendapatkan ciri akustik yang berkaitan bagi buih bangun dan saiz fizikal bangun. Dalam ujian tasik khusus, kapal permukaan digunakan untuk membuat navigasi terus berkelajuan tinggi di permukaan air. Kapal itu adalah 7.5m panjang, 3m lebar, dan mempunyai draf 0.35m. Kipas enjin luaran berada 0.8m di bawah air. Kawasan air ujian ialah kawasan terbuka sebuah tasik, purata kedalaman kawasan tersebut ialah 35m, dan kelajuan kapal ialah 10 knot apabila melepasi titik pengukur. ROV dilengkapi dengan transduser akustik bawah air gabungan jalur lebar dalam artikel ini untuk pengukuran berterusan. Dalam pengukuran berulang, kombinasi frekuensi akustik yang berbeza digunakan untuk pengesanan, dan hasil pengukuran taburan gelembung bangun diperoleh, seperti ditunjukkan dalam Rajah

 

 

Ia dapat dilihat daripada Rajah 18 bahawa ukuran sebenar saiz gelembung bangun kapal adalah tertumpu pada ketumpatan tinggi 10-20 μ m. Hasil pengukuran adalah selaras dengan ketumpatan nombor gelembung tertinggi selepas diberikan oleh literatur dengan jejari 10-20 μ m, yang membuktikan bahawa transduser .Peranti memenuhi keperluan ujian dalam persekitaran kerja sebenar. Pada masa yang sama, transduser digunakan untuk terus mengukur lapisan gelembung bangun yang terbentuk selepas kapal permukaan belayar, dan mengikut maklumat intensiti sasaran akustik akustik gelembung bangun yang diperolehi, digabungkan dengan persekitaran akustik dalam air semasa (seperti kelajuan bunyi, kedalaman air, dll.) dan data terdahulu (seperti kepekaan transduser, lengkung tahap sumber bunyi yang diperolehi mengikut lengkung yang sepadan, dan algoritma pemprosesan yang sepadan, dan lain-lain. kedalaman dan masa seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 19. Ia boleh dilihat daripada Rajah 19 bahawa tempoh buih bangun adalah kira-kira 173 s, dan ketebalan gelembung bangun tengah mengukur sebenar ialah 1.46 m, yang pada asasnya konsisten dengan formula empirik yang diberikan oleh formula pengiraan bangun biasa. Ringkasnya, melalui ujian pengukuran keseluruhan dalam kolam anechoic, hasil pengukuran menunjukkan bahawa prestasi sebenar transduser pada asasnya konsisten dengan keputusan simulasi. Ia dipasang pada platform ROV dan disahkan oleh ujian navigasi sebenar di tasik. Keputusan ujian menunjukkan bahawa transduser meliputi jalur frekuensi yang luas, mempunyai struktur yang kecil, dan hasil pengukuran pada asasnya konsisten dengan formula empirikal. Data pengukuran adalah boleh dipercayai dan boleh memenuhi keperluan buih bangun kapal permukaan.

 

 4 Kesimpulan

 

 Kertas ini mencadangkan kaedah reka bentuk transduser bersepadu gabungan, dengan jalur frekuensi operasi jalur lebar frekuensi rendah ke frekuensi tinggi, yang dicirikan bahawa hujung pemancar boleh meliputi 3~100kHz, hujung penerima meliputi 1~100kHz, dan sudut pembukaan tidak kurang daripada 70 ° ; Mengguna pakai susun atur transceiver yang berasingan, menghantar pada kedua-dua hujung, menerima tertumpu di tengah, reka bentuk struktur penyekat akustik dalaman; komponen dalaman transduser disepadukan dan dikeluarkan melalui penyambung kedap air, mengurangkan kerumitan sambungan luaran; Melalui struktur sokongan pusat transduser, pusat graviti keseluruhan transduser boleh dilaraskan, yang sesuai untuk penyesuaian dan pemasangan kenderaan bawah air kecil seperti ROV; susun atur terbuka transduser, galas beban mekanikal melalui sokongan logam, mengurangkan keseluruhan transduser Kualiti dan saiz peranti menambah baik kesesuaian. Transduser ini mempunyai kelebihan jalur frekuensi kerja yang luas, sudut bukaan yang lebih besar dan berat yang lebih ringan di bawah sekatan saiz yang kecil. Ia telah berjaya digunakan pada ROM kecil, yang menyelesaikan masalah ujian akustik bawah air jalur lebar ultra pada platform ROM kecil. Mempunyai nilai ketenteraan dan awam yang tinggi.