Ontwerp, ontwikkeling en toepassing van een breedband-gecombineerde onderwater-akoestische transducer

invoering

 

De oceaan is niet alleen een belangrijke schat aan visserij- en minerale hulpbronnen, maar ook een belangrijke positie voor landen om de nationale veiligheid en militaire strijd te handhaven. Daarom is akoestische onderwatertechnologie een belangrijk middel geworden voor de huidige verkenning en ontwikkeling van mariene hulpbronnen, onderwatercommunicatie en navigatie van schepen, detectie en herkenning van onderwaterdoelen, evenals monitoring van het mariene milieu en het voorspellen van natuurrampen. De onderwater akoestische transducer is de drager van geluidsgolfemissie en -ontvangst in de onderwater akoestische technologie, en het technische niveau ervan beïnvloedt rechtstreeks of bepaalt zelfs het uiteindelijke realisatie-effect van de onderwater akoestische technologie. Actieve sonardetectie en onderzoek van mariene hulpbronnen vereisen transducers met een lage frequentie, een hoog vermogen en een klein formaat. Voor geluidssimulatie en sonarkalibratie zijn akoestische onderwatertransducers nodig met ultralage frequentie en ultrabreedbandkarakteristieken. Op het gebied van akoestische onderwatercommunicatie moeten akoestische transducers onder water de kenmerken hebben van hoog rendement, ultrabreedband, hoge gevoeligheid en vlakke in-band. Over het algemeen ontwikkelen akoestische onderwatertransducers zich in de richting van lage frequentie, breedband, hoog vermogen, klein formaat en diep water. De diepwatertransducer maakt gebruik van de interne spoelmethode om te werken op een diepte van maximaal 11.000 meter, en gebruikt de koppeling van de interne olieholte en structurele onderdelen om multi-mode trillingen te vormen, waardoor de frequentieband van de transducer wordt vergroot. Een multi-resonante holte wordt gevormd door overlopende ronde buizen van verschillende afmetingen, en de werkfrequentie kan worden aangepast door de grootte van de ronde buizen te veranderen om een ​​bredere transducer te verkrijgen.

 

De bandbreedte van het frequentiebereik is 200 Hz ~ 2 kHz. De diameter van de onderwaterhydrofoontransducer is 250 mm en de lengte is 500 mm. De dekkingsband is 7 ~ 15 kHz, het geluidsbronniveau is 200 dB, de ontvangstgevoeligheid is -176 dB en de werkdiepte onder water is 11.000 meter. De recent ontwikkelde transducer heeft een afmeting van De diameter is 240 mm, de lengte is 420 mm, de dekkingsfrequentieband is 1,8 ~ 8,0 kHz, de transmissierespons is 144 dB en de fluctuatie in de band is minder dan 6 dB. Samenvattend hebben overzeese akoestische onderwatertransducers de gehele werkfrequentieband bestreken, zelfs het hele watergebied, en hebben ze een bepaalde schaal gevormd in engineering, serialisatie en generalisatie, die het geavanceerde niveau van de industrie vertegenwoordigt. Binnenlandse onderzoeksinstituten en andere gerelateerde eenheden hebben veel onderzoek en experimenten uitgevoerd en bepaalde resultaten bereikt. Er is echter nog steeds een zekere kloof in de belangrijkste technologie en verwerkingstechnologie van akoestische onderwatertransducers vergeleken met het buitenland, vooral in de steeds toenemende eisen voor ultrabreedband, kleine afmetingen en hoge prestaties bij akoestische onderwaterdetectie vereisen diepgaand onderzoek. Ontwikkelingsvereisten. Met de ontwikkeling van technologie voor geluidsreductie van schepen in verschillende landen is het geluidsniveau van schepen en onderwaterdoelen geleidelijk verminderd. Onderwaterwapens en uitrusting zoals torpedo's maken meestal gebruik van breedband akoestische onderwatertransducers om het detectiebereik uit te breiden en de complexe onderwaterakoestiek te verbeteren. Het detectievermogen en de trefnauwkeurigheid onder de nagalmachtergrond verbeteren het onderwaterdoelherkenningsvermogen. Bovendien worden, als reactie op verschillende marines, inlichtingendiensten, economische entiteiten en zelfs internationale terroristische organisaties, bij de inzet van kikvorsmannen, autonome onderwatervoertuigen (AUV's) en micro-onderzeeërs voor verkennings-, sabotage-, explosies- en mijnlegoperaties vaak kleinschalige operaties uitgevoerd. Op afstand bestuurbare onbemande onderwatervoertuigen (ROV) en andere onderwatervoertuigen zijn uitgerust met verschillende detectieapparatuur voor veiligheidsbescherming, en er worden specifieke eisen gesteld aan de belangrijkste technische indicatoren van hun sonar. In dit artikel, gericht op de vereisten van akoestische detectie van de zogbellen van oppervlakteschepen, wordt een model ontworpen en ontwikkeld met 3 ~ 100 kHz ultrabreedband ontvangst- en zendfuncties, dat real-time onderwater akoestische metingen van de zogbellen van schepen bij een grote openingshoek kan uitvoeren, en vereist dat de ontvangst- en zendfuncties onafhankelijk van elkaar zijn. En controleerbaar, de algehele structuur moet compact zijn, de fysieke omvang is klein en het is eenvoudig te installeren en te gebruiken op een klein ROM. Gezien de feitelijke vereisten en feitelijke werkomstandigheden zijn de belangrijkste technische indicatoren van de in dit artikel beschreven transducer als volgt: 1) De zendfrequentie is 3~100 kHz en de ontvangstfrequentie is 1~100 kHz. 2) Het emissiegeluidsbronniveau ≥ 189dB. 3) Ontvangstgevoeligheid ≥ -180dB. 4) Fluctuatie binnen de band ≤ 6dB. 5) Straalbreedte (horizontaal) ≥ 90° (-3dB). 6) Straalbreedte (verticaal) ≥ 70° (-3dB). 7) Werkwaterdiepte ≥ 500m. 8) Afmetingen ≤ 350 mm × 150 mm × 250 mm. 9) Massa ≤ 10 kg. Onder hen is ROV een kleine detectiestructuur en het draagvermogen ervan is beperkt, dus de transducer moet zo klein mogelijk zijn, licht van gewicht en gemakkelijk te implementeren onder het uitgangspunt dat hij aan de prestatie-indicatoren moet voldoen.

 

2 Ontwerp en ontwikkeling van transducers

 

2.1 Transducerontwerp en simulatieanalyse

De onderwater cilindervormige transducer behoort tot een afzonderlijke structuur van ontvangen en verzenden. Het zenduiteinde wordt gerealiseerd door gebruik te maken van drie zendtransducers met een samengestelde staafstructuur, en de overeenkomstige frequentiebanden zijn 3 ~ 18 kHz, 18 ~ 45 kHz, 45 ~ 100 kHz; het ontvangende uiteinde wordt gerealiseerd door gebruik te maken van 2 piëzo-elektrische hydrofoons uit de keramische ringserie, en de frequentiebanden zijn respectievelijk 1-40 kHz, 40-100 kHz. De bovengenoemde zend- en ontvangsttransducerbasis is als één geheel verpakt en aan de binnenkant is een anti-akoestisch schot ontworpen. Nadat het pakket is geïntegreerd, bedraagt ​​de totale massa ongeveer 9 kg. De algemene vorm van de transducer is een onregelmatige balk. De basisgrootte is ongeveer 310 mm x 150 mm x 220 mm. Het uiterlijk wordt getoond in figuur 1. De hoofdkabel kan in de vorm van connectoren worden aangesloten op externe elektronische sonarapparatuur.

 

Gericht op de belangrijkste technische indexvereisten van de akoestische onderwatertransducer in dit artikel, gecombineerd met het bovenstaande ontwerpschema, wordt een simulatieanalyse van de zend- en ontvangstprestaties uitgevoerd. Vanwege de complexe structuur van de in dit artikel ontworpen transducer en de brede frequentiebanddekking zijn theoretische analysemethoden niet geschikt voor berekeningen en simulatie. Zoals we allemaal weten is de eindige-elementenmethode een numerieke simulatiemethode die veel wordt gebruikt in de huidige technische praktijk. Gebruik ANSYS-software om een ​​watergebied in het vrije veld te simuleren en een vereenvoudigd model van de transducer op te stellen. Selecteer een punt in de far-field-eenheid direct voor de voorkant om de geluidsdruk te berekenen, waarna de zendspanningsrespons van de transducer kan worden omgezet. Selecteer in de far-field-eenheid de geluidsdruk in elke richting op een bepaalde afstand langs het midden van de transducer om de open hoek van de emissierichting van de transducer te berekenen. Omdat de samengestelde staaftransducer axiale symmetrie heeft, wordt een 2D axiaalsymmetrisch transducer-eindige-elementenmodel geselecteerd voor eindige-elementenanalyse. Bij het gebruik van ANSYS-berekeningen is het noodzakelijk om rekening te houden met de invloed van water op de transducer. Meestal is het equivalente effect een waterpolo, en vervolgens wordt de belasting toegepast om de oplossing te berekenen. Het model van de transducer in het water wordt getoond in figuren 2 en 3.

 

Uit figuren 2 en 3 blijkt dat de zendtransducers zijn ontworpen met piekbreedband met dubbele resonantie. De resonantiefrequenties van de 3~18kHz-eenheid van de zendende transducer zijn 5kHz, 14kHz, en de resonantiefrequenties van de eenheid van 18~45kHz zijn 20kHz, 40kHz, en de resonantiefrequenties van 45~100kHz, 55k. De 1-40 kHz-eenheid van de ontvangende hydrofoon maakt gebruik van een piëzo-elektrische ring en de resonantiefrequentie met enkele ring is groter dan 40 kHz om een ​​vlakke werkfrequentieband te garanderen. De interne twee-serie en twee-parallelle structuur verbetert de gevoeligheid en stabiliteit; de 40-100 kHz-eenheid van de ontvangende hydrofoon maakt gebruik van piëzo-elektrisch composietmateriaal, de resonantiefrequentie is groter dan 100 kHz om vlakheid in de band te garanderen. In dit artikel wordt de eindige-elementenvergelijking gebruikt als MU ¨ + CU · +KU = F (1) waarbij: M de massamatrix is; C is de dempingsmatrix; K is de stijfheidsmatrix; U is de knoopverplaatsingsvector; F is de belastingsvector. Het emissiespanningsresponsniveau TVR is TVR = 20lg p RV + 120 (2) waarbij: p de geluidsdruk van het knooppunt is; R is de afstand van het knooppunt tot het equivalente middelpunt van de geluidsbron; V is de aangelegde spanning. Extraheer de geluidsdruk p van het knooppunt op de akoestische as in ANSYS en bereken de emissieresponscurve van de transducer. In het eigenlijke ontwerp bestaat het zendgedeelte van de akoestische onderwatertransducer uit drie soorten samengestelde staaftransducers, die breedband directionele emissie realiseren en tegelijkertijd de achterstraling onderdrukken. De zendtransducer bestrijkt een breed frequentiebereik en wordt voornamelijk gebruikt voor akoestische metingen onder water. Het moet een goede vlakheid in de band hebben om de nauwkeurigheid van akoestische metingen onder water te garanderen. In de techniek worden vaak methoden gebruikt zoals het optimaliseren van de grootte van de stralende kop van de transducer, of het regelen van de fase-optimalisatie om de fluctuaties in de band te verminderen, en de serieweerstand op de piëzo-elektrische keramische stapel voor en na de dubbele resonantie (of 'dubbele excitatie') emissietransducer. Om de fluctuatie van de zendspanningsrespons van de transducer in de werkfrequentieband verder te verminderen. Dit artikel beschouwt de grootte en kwaliteit van de op de kleine ROM gemonteerde transducer, evenals de algehele installatiestructuur, en neemt voornamelijk de methode uit de literatuur over om de in-band fluctuatie van de zendende transducer te onderdrukken, dat wil zeggen de methode voor het aanpassen van de weerstand van de bijpassende weerstand. Ervan uitgaande dat de serieweerstand van de voorste en achterste piëzo-elektrische keramische stapels binnen de zendtransducer respectievelijk R1 en R2 bedraagt, worden de weerstandswaarden van R1 en R2 aangepast om de vlakheid van de zendtransducer in de band te regelen. Door middel van eindige elementenanalyse wordt de emissierespons van de zendende transducer onder verschillende weerstandswaarden gesimuleerd. Als we de ontworpen 18~45 kHz zendtransducer met dubbele resonantie als voorbeeld nemen, laat de simulatieanalyse zien dat de zendrespons varieert met de weerstandswaardecurve, zoals weergegeven in figuur 4. Uit de figuur blijkt dat het aanpassen van R1 en R2 in principe de vlakheid in de frequentieband van de zendtransducer kan regelen. Door de weerstanden R1 en R2 te optimaliseren, kan worden geconcludeerd dat wanneer R1=940 Ω , R2=330 Ω , er een betere vlakheid in de band is. (weergegeven door de stippellijn in figuur 4), en de algehele emissierespons in de band verandert niet veel,

 

Het kan voldoen aan de ontwerpvereisten, gecombineerd met de werkelijke fysieke grootte en breedbandimpedantie-matching, uitgebreide simulatie kan 3 ~ 18 kHz, 18 ~ 45 kHz en 45 ~ 100 kHz simulatieresultaten van de zenderzenderspanningsrespons verkrijgen, zoals weergegeven in figuur 5-7. Het kan worden gezien uit Fig. 5-7 dat de zenderspanningsrespons van de transducer niet minder is dan 140 dB in de frequentieband, wat voldoet aan de vereisten van ontwerpinvoergerelateerde technische indicatoren, en een groter geluidsbronniveau kan bieden voor akoestische detectie onder water over lange afstanden.

Het ontvangende deel van de hydro-akoestische transducer wordt gerealiseerd door de combinatie van twee sets hydrofoonarrays, die elk een serie- en parallelle verbinding van piëzo-elektrische keramische ringen gebruiken om gerichte ontvangst te bereiken. Onder hen is de hydrofoon met een frequentieband van 1-40 kHz gemaakt in de vorm van twee piëzo-elektrische keramische ringen die in serie zijn geschakeld. De gevoeligheid van een enkele hydrofoon is niet minder dan -193dB, en de gevoeligheid van de hydrofoon na serieschakeling is niet minder dan -178dB. De resultaten van de gevoeligheidssimulatieanalyse worden weergegeven in figuur 8. De hydrofoon heeft geen horizontale richtingsgevoeligheid (instelbare richtingsweergave kan worden toegepast) en de verticale richtingsgevoeligheid van 3 kHz is ongeveer 130 ° . De simulatieresultaten worden getoond in Figuur 9. De verticale richtingsgevoeligheid van 40 kHz is ongeveer 73 ° , en de simulatieresultaten worden getoond in Figuur 

 

 

11. Het ontvangende deel van de hydrofoon in de frequentieband van 40 ~ 100 kHz maakt gebruik van twee piëzo-elektrische keramische ringreeksen. De werkfrequentie kan voldoen aan het gebruik van 40 ~ 100 kHz, maar de gevoeligheid is laag. Na de serieschakeling bedraagt ​​de gevoeligheid van de hydrofoon maar liefst -180dB. De resultaten van de gevoeligheidssimulatie zijn als volgt, zoals weergegeven in figuur 11. Het niveau van de hydrofoon heeft geen richtingsgevoeligheid (er kan een schot worden toegepast om de richtingsgevoeligheid aan te passen), en de verticale richtingsgevoeligheid bij 100 kHz is ongeveer 77 ° . De simulatieresultaten worden getoond in Figuur 12

Volgens de simulatieanalyse op basis van de eindige-elementenmethode kan de in dit artikel ontworpen gecombineerde transducer voldoen aan de ontwerpinvoervereisten op het gebied van zenden en ontvangen, en wordt voldaan aan de belangrijkste technische indicatoren.

 

 2.2 Ontwikkeling van transducers

De breedband gecombineerd Een bolvormige akoestische onderwatertransducer wordt voor gebruik op een kleine ROM geïnstalleerd. Op basis van het voldoen aan de behoeften van akoestische breedbanddetectie, richt het zich op een klein formaat en lichtgewicht ontwerp. In dit artikel, gecombineerd met het algemene structuurontwerp van een kleine ROM, wordt de uiteindelijk ontwikkelde transducer weergegeven in Figuur 13. De specifieke ontwerpstructuur wordt getoond in Figuur 14. De gecombineerde breedband akoestische onderwatertransducer die in dit document is ontworpen en ontwikkeld, bestrijkt het zendfrequentiebereik van 3 ~ 100 kHz, de ontvangende frequentieband van 1 ~ 100 kHz, en de totale massa van het fysieke object is 9,4 kg (in de lucht, inclusief de beugel en verbindingskabel). 328,5 mm x 140 mm x 240 mm, wat kleiner is dan de vereisten voor grootte en kwaliteit in de ontwerpinvoer, waardoor de vereisten voor de draagcapaciteit van de ROM worden verminderd. De transducer wordt op de ROM-behuizing afgestemd en geïnstalleerd, en het daadwerkelijke object na installatie wordt weergegeven in Figuur 15. De simulatieanalyseresultaten kunnen worden gebruikt als ontwerpreferentie-invoer, maar in het daaropvolgende feitelijke ontwikkelings- en foutopsporingsproces moet deze worden aangepast aan de werkelijke meetsituatie om aan de daadwerkelijke gebruiksvereisten te voldoen.

 

3 Experimentele proef

Het zendende deel van de breedband gecombineerde akoestische onderwatertransducer gebruikt 3 verticale eenheden om een ​​werkfrequentieband te vormen die 3 ~ 100 kHz bestrijkt, en het ontvangende deel gebruikt 2 onafhankelijke eenheden om een ​​werkfrequentieband te vormen die 1 ~ 100 kHz bestrijkt. De algemene lay-out van zenden aan beide uiteinden en ontvangen in het midden is overgenomen om de openingshoek van de transducer te garanderen. In de transducer is een anti-akoestisch schot ontworpen om de interne reflectie en superpositie van het akoestische signaal te verminderen. Tegelijkertijd wordt in het ontvangende deel een verstelbaar ondersteuningsmechanisme toegepast en wordt de hoogte van de ontvangende transducer beperkt aangepast aan de daadwerkelijke testsituatie om de ontvangende openingshoek verder uit te breiden om occlusie en reflectie van de transduceromhulling en het ROV-lichaam te voorkomen. Nadat de ontwikkeling is voltooid, wordt hier de algehele akoestische prestatie-indextest van de transducer gebruikt om de werkelijke werkprestaties van de transducer verder te verkrijgen, die verschillen van de onafhankelijke transceivertestmethode die gewoonlijk in het laboratorium wordt gebruikt. Dat wil zeggen dat nadat het geheel op de ROV is geïnstalleerd, de tanktest van de transducer wordt uitgevoerd onder simulatie van werkelijke werkomstandigheden om verder te bevestigen dat de transducer op de ROV is geïnstalleerd en wordt beïnvloed door de ROV-structuur, om zo de werkelijke werkomstandigheden van de transducer te verkrijgen. Echte prestatieparameters. Er werd een uitgebreide test uitgevoerd in een echovrije pool om de realisatie van de prestatie-indicatoren te verifiëren. De testomstandigheden van het echovrije waterzwembad. de omgevingskamertemperatuur is 25 ℃ , de lengte van de testkabel is 3 m, de waterdiepte is 3 m, de omgevingswatertemperatuur is 20 ℃ , de isolatieweerstand is 500 M Ω , de statische capaciteit is 51.000 pF en de testafstand is 6,2 m. De daadwerkelijke meetresultaten worden getoond in Figuren 16

 

 

De ROV wordt gebruikt om een ​​breedband gecombineerde akoestische onderwatertransducer te monteren om breedband akoestische onderwaterdetectie van de zogbellen van een oppervlakteschip uit te voeren en de relevante akoestische kenmerken van de zogbellen en de fysieke grootte van het zog te verkrijgen. In de specifieke test op het meer werd het oppervlakteschip gebruikt om met hoge snelheid direct over het wateroppervlak te navigeren. Het schip was 7,5 meter lang, 3 meter breed en had een diepgang van 0,35 meter. De propeller van de externe motor bevond zich 0,8 meter onder water. Het testwatergebied is een open gebied van een meer, de gemiddelde diepte van het gebied is 35 meter en de snelheid van het schip is 10 knopen bij het passeren van het meetpunt. De ROV is in dit artikel uitgerust met een breedband gecombineerde akoestische onderwatertransducer voor continue metingen. Bij herhaalde metingen worden verschillende akoestische frequentiecombinaties gebruikt voor detectie en worden de meetresultaten van de wake bubble-verdeling verkregen, zoals weergegeven in figuur

 

 

Uit figuur 18 blijkt dat de werkelijke meting van de grootte van de zogbel van het schip geconcentreerd is in de hoge dichtheid van 10-20 μm . Het meetresultaat komt overeen met de hoogste beldichtheid in het zog die in de literatuur wordt gegeven met een straal van 10-20 μm , wat bewijst dat de transducer voldoet aan de testvereisten in de daadwerkelijke werkomgeving. Tegelijkertijd wordt de transducer gebruikt om continu de zogbellaag te meten die wordt gevormd nadat het oppervlakteschip is uitgevaren, en op basis van de verkregen informatie over de intensiteit van het akoestische doel van de zogbel, gecombineerd met de huidige akoestische onderwateromgeving (zoals geluidssnelheid, waterdiepte, enz.) en eerdere gegevens (zoals transducergevoeligheid, circuitversterking op het niveau van de emissiegeluidsbron, enz.), geschat volgens het overeenkomstige verwerkingsalgoritme, en de belsterktecurve met diepte en tijd verkregen, zoals getoond in Figuur 19. Uit Figuur 19 blijkt dat de duur van de zogbel ongeveer 173 s, en de werkelijke gemeten dikte van de middelste zogbel is 1,46 m, wat in principe consistent is met de empirische formule die wordt gegeven door de conventionele zogberekeningsformule. Samenvattend laten de meetresultaten tijdens de algehele meettest in het echovrije zwembad zien dat de werkelijke prestaties van de transducer in principe consistent zijn met de simulatieresultaten. Het wordt geïnstalleerd op het ROV-platform en geverifieerd door de daadwerkelijke navigatietest op het meer. De testresultaten laten zien dat de transducer een brede frequentieband bestrijkt, een kleine structuur heeft en dat de meetresultaten in principe consistent zijn met empirische formules. De meetgegevens zijn geloofwaardig en kunnen voldoen aan de eisen van kielzogbellen aan het oppervlak van schepen.

 

 4 Conclusie

 

 Dit artikel stelt een gecombineerde ontwerpmethode voor geïntegreerde transducers voor, met een laagfrequente tot hoogfrequente breedbandwerkfrequentieband, die wordt gekenmerkt doordat het zendende uiteinde 3 ~ 100 kHz kan bestrijken, het ontvangende uiteinde 1 ~ 100 kHz en de openingshoek niet minder dan 70 ° ; Door een aparte transceiver-indeling aan te nemen, aan beide uiteinden te zenden, geconcentreerd in het midden te ontvangen, ontwerp van de interne akoestische schotstructuur; de interne componenten van de transducer zijn geïntegreerd en worden uitgevoerd via een waterdichte connector, waardoor de complexiteit van externe verbindingen wordt verminderd; Via de centrale steunstructuur van de transducer kan het algehele zwaartepunt van de transducer worden aangepast, wat handig is voor de aanpassing en installatie van kleine onderwatervoertuigen zoals ROV; de open lay-out van de transducer, de mechanische belasting door de metalen steun, verkleint de gehele transducer. De kwaliteit en grootte van het apparaat verbeteren de pasvorm. Deze transducer heeft de voordelen van een brede werkfrequentieband, een grotere openingshoek en een lager gewicht onder de beperking van een klein formaat. Het is met succes toegepast op een kleine ROM, waardoor het probleem van ultrabreedband akoestische tests onder water op een klein ROM-platform wordt opgelost. Heeft een hoge militaire en civiele waarde.