Reka bentuk litar memandu dan menerima berdasarkan transduser akustik bawah air

Bermula dari keperluan komunikasi kapal selam tentera dan komunikasi bawah air awam, planar satu arah transduser hidroakustik bawah air dengan frekuensi resonans 150 kHz telah direka, dan litar pemacu pemancar dan penerima transduser telah direka berdasarkan prinsip komunikasi titik-ke-titik. Transduser akustik bawah air diletakkan di kawasan air dan disambungkan ke litar untuk merealisasikan fungsi komunikasi bawah air jarak jauh. Litar telah diuji pada platform eksperimen yang direka sendiri. Keputusan ujian menunjukkan bahawa transduser fabrikasi mempunyai tindak balas dan kepekaan voltan pelepasan yang lebih tinggi, arahan tunggal, dan litar komunikasi akustik bawah air mempunyai frekuensi boleh laras, dan komunikasi adalah jelas dan stabil. Litar komunikasi akustik dalam air boleh digunakan untuk komunikasi ketenteraan dan awam, dan mudah untuk bergerak dan dibawa, serta mudah untuk nyahpepijat. Disebabkan oleh penyerapan gelombang elektromagnet, gelombang cahaya dan bentuk tenaga lain oleh air laut dan kewujudan 'zon penumpuan' laut dalam, gelombang bunyi kini merupakan satu-satunya bentuk tenaga yang diketahui yang boleh menghantar isyarat secara wayarles pada jarak jauh di bawah air. Gelombang bunyi dengan frekuensi getaran melebihi 20 kHz dipanggil gelombang ultrasonik. Berbanding dengan gelombang bunyi biasa, gelombang ultrasonik mempunyai kearah yang lebih baik, kuasa penembusan yang lebih kuat dan prestasi pantulan yang lebih baik. Oleh itu, ia digunakan secara meluas dalam penghantaran maklumat, pengesanan kerosakan, ujian jarak jauh, dan bidang perubatan dan kesihatan. Tetapi dalam proses penyebaran, kehilangan tenaga gelombang bunyi dalam saluran air meningkat dengan peningkatan frekuensi, supaya lebar jalur saluran air yang tersedia adalah sempit dan kapasiti maklumat adalah kecil. Oleh itu, prestasi litar pemacu pemancar dan penerima memainkan peranan penting dalam kualiti komunikasi akustik bawah air. Pada abad yang lalu, Syarikat Harris Acoustic Products AS, Perancis, dan United Kingdom membangunkan komunikator hidroakustik yang sesuai untuk komunikasi kapal dalam air. Mereka menggunakan modulasi jalur sisi tunggal dan menggunakan hidrofon volum besar sebagai 'tingkap' untuk penghantaran dan penerimaan isyarat. , Untuk mencapai jarak komunikasi bawah air tertentu, tetapi peralatannya adalah kompleks, transduser adalah besar dan arahan tidak cukup tajam, tidak sesuai untuk kegunaan awam; Dipasang ke dalam sistem komunikasi analog berdasarkan perisian pemprosesan isyarat Linux, pada simulator saluran Komunikasi jarak jauh direalisasikan, tetapi saluran reka bentuk yang ideal adalah berbeza daripada saluran air sebenar; yang lain telah membina sistem komunikasi bawah air berdasarkan spektrum sebaran jujukan pemetaan gabungan selari, menggunakan cip DSP sebagai modul pemprosesan maklumat, sekali gus merealisasikan penghantaran maklumat di bawah air Tersembunyi dan berkelajuan tinggi antara platform. Walau bagaimanapun, pemasa 555 secara tradisinya digunakan untuk menjana gelombang pembawa dengan frekuensi getaran tertentu untuk memacu litar pemacu transduser, dan kestabilan frekuensi bentuk gelombang yang dihasilkan agak lemah; dan teknologi pemprosesan cip DSP yang baru muncul mempunyai algoritma yang kompleks dan perlu dijalankan untuk perairan yang berbeza. Pengubahsuaian pengiraan dan pampasan yang rumit tidak sesuai untuk promosi berskala besar dalam bidang awam. Di samping itu, probe yang digunakan dalam peranti transceiver isyarat litar komunikasi yang telah dibangunkan tidak cukup tajam, kuasa tidak tertumpu, dan lebar jalur agak sempit, yang tidak kondusif untuk penghantaran dan penerimaan isyarat. Walau bagaimanapun, kebanyakan transceiver ultrasonik tidak sesuai untuk operasi saluran air dan tidak dapat memenuhi keperluan orang awam dan tentera yang sebenar.

 

1) Berdasarkan volum kecil transduser akustik bawah air satu arah , makalah ini menggunakan modulasi jalur dua sisi dan kaedah demodulasi koheren untuk membangunkan litar pemacu pemancar dan penerimaan yang sesuai untuk komunikasi dalam air. Litar komunikasi akustik bawah air mempunyai penggunaan jalur frekuensi tinggi dan frekuensi boleh laras, sesuai untuk 0 kHz ~ 12. Transduser julat frekuensi 5 MHz mempunyai jarak komunikasi sehingga 100 meter. Litar pemancar dan pemanduan, litar penerima dan pemanduan, dan transduser pemancar dan hidrofon dalam litar bersama-sama membentuk satu set sistem komunikasi hidroakustik. Sistem ini menggunakan pemancar dan hidrofon sebagai 'tingkap' untuk pertukaran isyarat, menggunakan STM32F103RCT6 dan AD9833 sebagai sumber isyarat pembawa, dan menggabungkan komponen modem yang berkaitan untuk akhirnya mencapai komunikasi yang stabil dan jelas.

 

1 Pengeluaran transduser

 

Bahan komposit piezoelektrik 1-3 merujuk kepada bahan yang dibentuk oleh tiang seramik piezoelektrik bersambung satu dimensi yang disusun selari dalam polimer bersambung tiga dimensi. Berbanding dengan bahan piezoelektrik seramik tulen 1-3 bahan komposit piezoelektrik, ia mempunyai kesan yang lebih baik dalam pengesanan kerosakan dan pengeluaran transduser penghantaran dan penerimaan. Oleh itu, modul transceiver gelombang akustik sistem ini menggunakan transduser ultrasonik planar yang diperbuat daripada 1-3 bahan komposit piezoelektrik yang dibangunkan di makmal, yang terdiri daripada elemen sensitif planar komposit 1-3 piezoelektrik, lapisan telap bunyi kalis air, plumbum elektrod, dan tegar Terdiri daripada buih dan penutup logam berkualiti tinggi. Sebelum membuat transduser, perlu menggunakan perisian simulasi unsur terhingga ANSYS untuk seni bina model dan pengiraan simulasi.

 

Simulasi 1-3 penderia komposit piezoelektrik

 

Dalam perisian simulasi unsur terhingga ANSYS, mula-mula tetapkan jenis unit, ketumpatan, nisbah Poisson dan modulus Young resin epoksi, dan tetapkan ketumpatan, matriks kekukuhan, matriks pemalar dielektrik dan matriks piezoelektrik seramik piezoelektrik. Kedua, tetapkan struktur model bahan komposit piezoelektrik 1-3: satah dengan panjang 100 mm, lebar 100 mm, dan ketebalan 10 mm, di mana lebar fasa polimer ialah 0. 28 mm, lebar lajur seramik piezoelektrik adalah 4 mm 1. ketinggian adalah 4 mm 1. Dengan cara ini, pecahan isipadu lajur kecil seramik piezoelektrik PZT dalam bahan komposit ialah 51. 84%. Oleh kerana model bahan komposit 1-3 mengandungi bahan dua fasa, jumlah pengiraan adalah besar apabila pengiraan simulasi dilakukan. Untuk mengurangkan jumlah pengiraan, satu unit bahan komposit piezoelektrik 1-3 dipilih untuk pengiraan simulasi. Gambar rajah struktur model bahan komposit piezoelektrik 1-3 dan gambar rajah tiga dimensi lajur seramik piezoelektrik adalah seperti berikut:

Unsur bahan komposit piezoelektrik jenis 1-3 dirangkai, dan keadaan sempadan simetri ditambah pada sempadan di sekeliling paksi Z (panjang) elemen, dan voltan 1 V ditambah pada permukaan atas seramik piezoelektrik dalam arah positif paksi Z, Z = 0 Tambah voltan 0 V ke permukaan julat frekuensi dan50 kHz (pilih frekuensi analisis) dan bilangan langkah), dan kemudian menyelesaikan dan pasca-proses, rajah kemasukan yang diperolehi ditunjukkan dalam Rajah 2. Ia boleh dilihat dari Rajah 2 bahawa transduser memenuhi keperluan frekuensi, dan komponen sensitif boleh dibuat mengikut parameter yang ditetapkan.

 

Sensor komposit piezoelektrik jenis 1-3 diperbuat daripada blok seramik piezoelektrik dengan panjang 100 mm, lebar 100 mm, dan ketebalan 10 mm. Potong dalam arah panjang dan lebar mengikut reka bentuk model, dan kemudian suntik resin epoksi 618. Selepas berdiri selama 24 jam, lakukan pemotongan yang sama pada bahagian belakang untuk menggilap resin epoksi berlebihan dalam arah ketebalan untuk membuat jenis 1-3. Bahan komposit piezoelektrik. Gunakan alkohol untuk membersihkan permukaan bahan komposit, dan gunakan pes perak untuk mengimbangi elektrod yang dimusnahkan dengan menggilap resin epoksi, dan akhirnya menjadikan bahan komposit piezoelektrik 1-3 elemen sensitif. Gunakan penganalisis impedans Agilent 4294A untuk menguji komponen sensitif. Keputusan ujian menunjukkan bahawa lebar jalur penderia bahan komposit piezoelektrik jenis 1-3 ialah 1 apabila frekuensi resonans ialah 151 kHz. 71 kHz, impedans akustik ialah 17. 47 Pa·s/m3, nilai kekonduksian ialah 104. 6 mS, pekali gandingan elektromekanikal ialah 0. 68. Faktor kualiti mekanikal ialah 88. 18. Hasil ujian bahan sensitif adalah baik.

 

1.3 Pembuatan satah satu arah frekuensi tinggi transduser hidro-akustik dalam air Tambah grafit ke poliuretana yang komponen utamanya ialah resin epoksi dan kacau untuk membuat lapisan telap bunyi kalis air yang diperlukan, dan buat acuan mengikut saiz transduser untuk menuang dan mengedap , Dan akhirnya membuat transduser akustik bawah air satah satu arah berfrekuensi tinggi.

 

1. 4 Ujian prestasi transduser

Menguji prestasi transduser terutamanya termasuk mengukur tindak balas voltan penghantarannya, menerima prestasi kepekaan dan kearaharah. Mengukur kedirectivity transduser biasanya digunakan untuk melukis corak directivitynya. Semasa pengukuran, transduser yang sedang diuji diputar untuk mencapai tujuan mengukur tindak balas penghantaran transduser atau menerima kepekaan dengan sudut azimut, dan kemudian corak arah transduser diperoleh selepas penukaran

 

2 Reka bentuk litar

 

Memandangkan kaedah komunikasi titik ke titik dan kadar penggunaan kuasa, artikel ini menggunakan modulasi isyarat jalur sisi dua (DSB) dan penyahmodulasi koheren. Prinsip modulasi ditunjukkan dalam persamaan (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Prinsip penyahmodulatan ditunjukkan dalam persamaan (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Di mana: uDSB ialah isyarat termodulat; uc (t) ialah isyarat termodulat; uΩ (t) ialah isyarat pembawa. Fungsi penting litar modulasi DSB ialah pengganda, yang menggunakan isyarat pembawa untuk memindahkan maklumat yang dibawa oleh isyarat jalur asas. Semasa penyahmodulasi, isyarat termodulat didarabkan dengan pembawa frekuensi dan fasa yang sama, dan kemudian melalui penapis laluan jalur untuk mendapatkan isyarat asal. Peranti penukaran tenaga yang diperlukan untuk penghantaran isyarat menggunakan transduser ultrasonik planar yang dibuat dalam artikel ini. Prinsip sistem litar pemacu pemancar dan penerima ditunjukkan.

 

2. 1 Modul litar

Mikrokomputer cip tunggal STM32F103RC menggunakan teras Cortex-M3, dan kelajuan CPU maksimumnya ialah 72 MHz. Berbanding dengan mikrokomputer cip tunggal model 51 dan 52, kelajuan pelaksanaan arahan adalah lebih pantas, volumnya lebih kecil, dan penyepaduan adalah mudah. AD9833 adalah penggunaan kuasa yang rendah,

modul penjanaan isyarat boleh atur cara, yang boleh diprogramkan untuk menjana gelombang sinus, segi empat sama dan segi tiga dalam julat frekuensi tertentu. Port FSYNC di atasnya ialah port pencetus tahap input, yang berfungsi sebagai penyegerakan bingkai dan membolehkan isyarat. Apabila FSYNC rendah, data boleh dipindahkan. Selain itu, AD9833 mempunyai daftar kawalan 16-bit. Dengan memprogramkan daftar kawalan, AD9833 boleh berfungsi dalam keadaan yang diperlukan oleh pengguna. Menggunakan mikrokomputer cip tunggal model STM32F103RC untuk mengawal modul penjanaan isyarat AD9833 menghasilkan kurang herotan gelombang sinus. Litar ini dikuasakan oleh modul bekalan kuasa pensuisan TPS5430, yang boleh memberikan voltan 5 V dan 12 V yang stabil, mengelakkan herotan dan kelewatan penghantaran isyarat.

 

Apabila isyarat audio luaran memasuki litar pemacu, ia didarab dengan gelombang sinus 150 kHz yang dijana oleh modul penjanaan pembawa dalam modul AD835 pengganda (langkah modulasi jalur sisi dua), dan kemudian penapis laluan jalur menapis keluar sebahagian daripada bunyi isyarat keluaran pengganda. Isyarat yang dihasilkan dikuatkan oleh penguat kuasa dan kemudian disambungkan kepada transduser pemancar, dan akhirnya transduser pemancar menghantar isyarat ke dalam air. Modulasi jalur dua sisi boleh menggerakkan isyarat jalur asas kepada frekuensi pembawa untuk mencapai pemultipleksan dan meningkatkan penggunaan saluran; kedua, ia mengembangkan lebar jalur isyarat, meningkatkan keupayaan anti-gangguan sistem, dan meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi. Dalam litar pemanduan ini, penguat kuasa menguatkan isyarat untuk memacu transduser berfungsi. Isyarat audio luaran boleh menjadi muzik yang dikendalikan oleh bicu fon telinga peranti elektronik, seperti telefon bimbit, atau isyarat yang ditukar dan dikendalikan oleh bunyi luaran melalui modul mikrofon.

 

2. 3 Litar penerimaan dan pemanduan

Selepas transduser pemancar menghantar isyarat gelombang bunyi ke saluran air, litar pemacu penerima yang sepadan diperlukan untuk menerima isyarat dalam saluran air dan memulihkan isyarat termodulat asal. Prinsip kerja litar pemacu penerima yang direka dalam artikel ini. Selepas litar pemacu penerima menerima isyarat dalam saluran, ia dihantar ke penapis laluan tinggi melalui wayar frekuensi tinggi, dan bunyi yang dihasilkan oleh litar dan bercampur dalam saluran dikeluarkan. Kemudian isyarat dan gelombang sinus 150 kHz ini didarab dalam modul AD835 pengganda. Output operasi pengganda dihantar ke penapis laluan jalur melalui kabel frekuensi tinggi sepaksi, dan isyarat dalam julat frekuensi yang diperlukan dipilih (langkah penyahmodulasian koheren). Akhir sekali, modul penguat kuasa TDA2030A digunakan untuk memacu modul pembesar suara, dan isyarat demodulasi dimainkan dalam bentuk audio. Dalam sistem ini, kedua-dua litar pemacu pemancar dan litar pemacu penerima perlu menggunakan modul penstabilan voltan TPS5430 untuk memastikan operasi voltan yang stabil dan stabil bagi setiap modul, dan penapis adalah semua penapis aktif urutan ke-4. Gelombang pembawa yang digunakan dalam proses modulasi dan penyahmodulasi semuanya adalah frekuensi yang sama, yang dihasilkan oleh modul AD9833 aktif selepas diprogramkan oleh mikropengawal STM32F103RC.

 

3 Pengesahan eksperimen

3. 1 Pengesahan komunikasi hidroakustik

Untuk mengesahkan fungsi sistem ini, ujian komunikasi akustik bawah air telah dijalankan di tasik dengan radius kira-kira 100 m. Hantarkan transduser pemancar dan transduser penerima

Penerima masing-masing diletakkan pada dua sisi tasik dalam arah diameter, masing-masing disambungkan ke litar pemacu pemancar dan litar pemacu penerima. Oleh kerana frekuensi suara manusia secara amnya berada dalam julat 8-10 kHz, termasuk banyak komponen nada, isyarat audio lagu dipilih secara rawak sebagai isyarat modulasi. Isyarat dipaparkan oleh osiloskop, isyarat modulasi audio asal ditunjukkan dalam Rajah 7(a), dan output isyarat pembawa 150 kHz oleh AD9833 ditunjukkan dalam Rajah 7(b)

Isyarat pembawa dan isyarat modulasi audio adalah input kepada pengganda untuk melaksanakan modulasi awal. Selepas diukur dengan osiloskop, isyarat keluaran pengganda ditunjukkan dalam Rajah 8.

Menurut paparan frekuensi dalam Rajah 8, ia mematuhi undang-undang modulasi jalur dua sisi. Isyarat keluaran pengganda dimasukkan ke dalam penguat kuasa melalui kabel sepaksi, dan kuasa isyarat ditingkatkan dalam julat herotan yang lebih kecil untuk memacu transduser mengeluarkan isyarat. Hantar input transduser yang dipaparkan oleh osiloskop. Isyarat ditunjukkan dalam Rajah 9.

Ia boleh diperhatikan dalam Rajah 9 bahawa burr telah hilang, iaitu, bunyi yang dihasilkan oleh litar telah ditapis keluar. Transduser penerima, iaitu, hidrofon, menerima isyarat daripada saluran seperti yang ditu

Isyarat yang diterima oleh hidrofon mengandungi isyarat audio, bunyi bising dan sebahagian daripada isyarat bertindih yang disebabkan oleh kesan berbilang laluan dalam saluran, mengakibatkan gangguan dan pertindihan dalam beberapa bentuk gelombang isyarat. Selepas isyarat yang diterima ditapis oleh penapis laluan tinggi untuk mengeluarkan bunyi frekuensi rendah dan isyarat bertindih, ia didemodulasi dengan gelombang sinus 150 kHz dalam sistem yang terdiri daripada pengganda dan penapis laluan jalur untuk memulihkan isyarat jalur asas asal, dan pembesar suara didorong oleh modul penguat kuasa TDA2030A. Isyarat audio asal disiarkan tanpa herotan. Isyarat audio siaran ialah isyarat muzik asal. Isyarat audio yang dipulihkan oleh litar pemacu penerima ditunjukkan dalam bentuk gelombang bawah Rajah 11.

Rajah 11 menunjukkan perbandingan dua bentuk gelombang. Bahagian atas menunjukkan isyarat yang diterima oleh hidrofon, dan bahagian bawah adalah bentuk gelombang isyarat audio yang dipulihkan. Kesan pemulihan audio adalah baik. Bentuk gelombang isyarat audio asal dan isyarat audio yang dipulihkan dibandingkan dan dibandingkan dengan audio asal dan kualiti bunyi audio sebenar. Hasilnya menunjukkan bahawa sistem boleh memacu transduser hidro-akustik satah satu arah frekuensi tinggi 150 kHz. Isyarat audio boleh dihantar dengan kualiti tinggi, dan audio pada penghujung siaran adalah jelas dan stabil.

 

3. 2 Pengesahan Kebolehlarasan Frekuensi

Selepas mengesahkan bahawa sistem dan transduser yang dipadankan berfungsi dan berfungsi seperti biasa, percubaan kedua dijalankan untuk mengesahkan kebolehlarasan frekuensi sistem. Program modul penjanaan isyarat untuk mengubah suainya agar sepadan dengan transduser 300 kHz yang dibuat di makmal. Uji kesan penghantaran isyarat. Isyarat modulasi audio ditunjukkan dalam Rajah 12(a), dan isyarat audio yang baru dipulihkan ditunjukkan dalam Rajah 12(b).

Bentuk gelombang isyarat yang dikesan oleh osiloskop mewakili isyarat audio yang dihantar. Dalam Rajah 12(b), bahagian atas ialah isyarat yang diterima oleh hidrofon, dan bahagian bawah ialah bentuk gelombang isyarat audio yang dipulihkan. Dengan membandingkan dan menganalisis isyarat audio input dan output sistem, dapat dilihat bahawa sistem boleh menghantar isyarat audio dengan kualiti yang tinggi, iaitu sistem boleh menyesuaikan diri dengan isyarat frekuensi resonans yang berbeza dalam julat frekuensi tertentu.

 

3. Analisis indeks prestasi

Pertama sekali, di bawah keadaan penghantaran maklumat tepat frekuensi tinggi, jarak perambatan sistem ini adalah lebih daripada 100 m pada 150 kHz, yang jauh melebihi jarak komunikasi akustik bawah air kurang daripada 100 meter yang dicapai oleh banyak sistem komunikasi bawah air dengan mengorbankan kualiti penghantaran isyarat. Kedua, dari segi prestasi jalur lebar maklumat penghantaran, berbanding dengan banyak sistem komunikasi akustik bawah air dengan lebar jalur kira-kira 200 Hz di pasaran, jalur lebar penghantaran sistem ini boleh mencapai 1. 71 kHz, yang sebahagian besarnya mengelakkan herotan isyarat audio semasa komunikasi. Akhir sekali, dari segi kualiti komunikasi suara, kejelasan siaran suara oleh penerima terakhir digunakan sebagai standard pengukuran. Berbanding dengan banyak peralatan komunikasi suara air awam dengan bunyi yang besar dan isyarat yang tidak jelas, sistem ini diuji di bawah keadaan tasik yang sama. Audio adalah jelas dan stabil.

 

4 Kesimpulan

Artikel ini mereka bentuk satu set litar komunikasi akustik bawah air berdasarkan aplikasi praktikal komunikasi titik ke titik dan komunikasi akustik bawah air. Pertama sekali, berdasarkan teori reka bentuk transduser yang berkaitan dan hasil makmal, struktur transduser disimulasikan oleh perisian simulasi unsur terhingga ANSYS, dan kaedah pemotongan dan pengisian dilakukan dengan menggunakan bahan sensitif berprestasi tinggi PZT5-A sebagai fasa bahan berfungsi seramik piezoelektrik, resin epoksi gabus 618 untuk mengisi fasa polimer pizoelectric. transduser satah hidro-akustik komposit 1-3 jenis piezoelektrik satu arah. Kemudian, transduser yang dihasilkan digunakan dalam sistem komunikasi, dan litar komunikasi akustik bawah air dengan struktur yang stabil dan komunikasi yang jelas telah dibangunkan. Litar ini boleh merealisasikan komunikasi bawah air yang berkesan, dan kerana reka bentuk litar modulasi dan penyahmodulasian dan frekuensi laras isyarat pembawa, litar juga boleh dipadankan dengan probe ultrasonik untuk merealisasikan fungsi pengesanan kecacatan jarak jauh dan pengukuran jarak.