Ontwerp van een stuur- en ontvangstcircuit op basis van een akoestische onderwatertransducer

Uitgaande van de behoeften van militaire onderzeese communicatie en civiele onderwatercommunicatie, een planair in één richting Er werd een hydro-akoestische onderwatertransducer met een resonantiefrequentie van 150 kHz vervaardigd, en de zender- en ontvangeraandrijfcircuits van de transducer werden ontworpen op basis van het principe van punt-tot-puntcommunicatie. De onderwater-akoestische transducer wordt in het watergebied geplaatst en aangesloten op het circuit om de onderwatercommunicatiefunctie over lange afstanden te realiseren. De schakeling werd getest op een zelf ontworpen experimenteel platform. De testresultaten laten zien dat de gefabriceerde transducer een hogere emissiespanningsrespons en gevoeligheid heeft, een enkele directiviteit, en dat het akoestische onderwatercommunicatiecircuit een instelbare frequentie heeft en dat de communicatie helder en stabiel is. Het akoestische onderwatercommunicatiecircuit kan worden gebruikt voor militaire en civiele communicatie, is gemakkelijk te verplaatsen en te dragen en gemakkelijk te debuggen. Vanwege de absorptie van elektromagnetische golven, lichtgolven en andere energievormen door zeewater en het bestaan ​​van diepzee-‘convergentiezones’ zijn geluidsgolven momenteel de enige bekende energievorm die signalen draadloos over lange afstanden onder water kan verzenden. Geluidsgolven met een trillingsfrequentie boven de 20 kHz worden ultrasone golven genoemd. Vergeleken met gewone geluidsgolven hebben ultrasone golven een betere richtingsgevoeligheid, een sterker doordringend vermogen en betere reflectieprestaties. Daarom worden ze veel gebruikt bij informatieoverdracht, schadedetectie, testen op afstand en op medisch en gezondheidsgebied. Maar tijdens het voortplantingsproces neemt het energieverlies van de geluidsgolf in het waterkanaal toe met het toenemen van de frequentie, zodat de beschikbare bandbreedte van het waterkanaal smal is en de informatiecapaciteit klein. Daarom spelen de prestaties van het zendende en ontvangende aandrijfcircuit een cruciale rol in de kwaliteit van de akoestische onderwatercommunicatie. In de afgelopen eeuw hebben de Amerikaanse Harris Acoustic Products Company, Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk hydro-akoestische communicators ontwikkeld die geschikt zijn voor onderwaterscheepscommunicatie. Ze gebruikten enkelzijbandmodulatie en gebruikten hydrofoons met groot volume als 'venster' voor signaaloverdracht en -ontvangst. , Om een ​​bepaalde afstand van onderwatercommunicatie te bereiken, maar de apparatuur is complex, de transducer is groot en de richtingsgevoeligheid is niet scherp genoeg, niet geschikt voor civiel gebruik; Geassembleerd in een analoog communicatiesysteem gebaseerd op Linux-signaalverwerkingssoftware, op de kanaalsimulator. Langeafstandscommunicatie wordt gerealiseerd, maar het ideale ontwerpkanaal verschilt van het daadwerkelijke waterkanaal; Anderen hebben een onderwatercommunicatiesysteem gebouwd op basis van een parallel gecombineerd kaartreeksgespreid spectrum, met behulp van de DSP-chip als informatieverwerkingsmodule, waardoor onderwater verborgen, snelle overdracht van informatie tussen platforms wordt gerealiseerd. De 555-timer wordt echter traditioneel gebruikt om een ​​draaggolf met een specifieke trillingsfrequentie te genereren om het aandrijfcircuit van de transducer aan te drijven, en de gegenereerde golfvormfrequentiestabiliteit is relatief slecht; en de recentelijk opkomende DSP-chipverwerkingstechnologie heeft complexe algoritmen en moet voor verschillende wateren worden uitgevoerd. De ingewikkelde berekeningsaanpassing en compensatie zijn niet geschikt voor grootschalige promotie op civiel gebied. Bovendien zijn de sondes die worden gebruikt in de signaaltransceiverapparaten voor communicatiecircuits die zijn ontwikkeld niet scherp genoeg, is het vermogen niet geconcentreerd en is de bandbreedte relatief smal, wat niet bevorderlijk is voor signaaloverdracht en -ontvangst. De meeste ultrasone zendontvangers zijn echter niet geschikt voor gebruik in waterkanalen en kunnen niet voldoen aan de werkelijke civiele en militaire behoeften.

 

1) Gebaseerd op een klein volume unidirectionele akoestische onderwatertransducer , dit artikel maakt gebruik van dubbelzijdige modulatie en coherente demodulatiemethoden om een ​​zend- en ontvangststuurcircuit te ontwikkelen dat geschikt is voor onderwatercommunicatie. Het onderwater akoestische communicatiecircuit heeft een hoog frequentiebandgebruik en is in frequentie instelbaar, geschikt voor 0 kHz ~ 12. De 5 MHz frequentiebereiktransducer heeft een communicatieafstand van maximaal 100 meter. Het zend- en stuurcircuit, het ontvangst- en stuurcircuit, en de zendtransducer en hydrofoon in het circuit vormen samen een set hydro-akoestische communicatiesystemen. Het systeem gebruikt de zender en hydrofoon als 'venster' voor signaaluitwisseling, gebruikt STM32F103RCT6 en AD9833 als dragersignaalbron en combineert de relevante modemcomponenten om uiteindelijk stabiele en duidelijke communicatie te bereiken.

 

1 Transducerproductie

 

Het 1-3 piëzo-elektrische composietmateriaal verwijst naar een materiaal dat wordt gevormd door eendimensionaal verbonden piëzo-elektrische keramische kolommen die parallel zijn gerangschikt in een driedimensionaal verbonden polymeer. Vergeleken met pure keramische piëzo-elektrische materialen 1-3 piëzo-elektrische composietmaterialen heeft het betere effecten bij het detecteren van schade en de productie van zend- en ontvangsttransducers. Daarom gebruikt de akoestische golfzendontvangermodule van dit systeem een ​​vlakke ultrasone transducer gemaakt van 1-3 piëzo-elektrische composietmaterialen ontwikkeld in het laboratorium, die is samengesteld uit een 1-3 piëzo-elektrisch composiet vlak gevoelig element, een waterdichte, geluiddoorlatende laag, een elektrodeleiding en een stijve samenstelling van hoogwaardig schuim en metalen omhulsel. Voordat de transducer wordt gemaakt, is het noodzakelijk om ANSYS eindige-elementensimulatiesoftware te gebruiken voor modelarchitectuur en simulatieberekening.

 

Simulatie van 1-3 piëzo-elektrische composietsensoren

 

In de ANSYS-simulatiesoftware voor eindige elementen stelt u eerst het eenheidstype, de dichtheid, de Poisson-verhouding en de Young-modulus van de epoxyhars in, en stelt u de dichtheid, stijfheidsmatrix, diëlektrische constante matrix en piëzo-elektrische matrix van het piëzo-elektrische keramiek in. Ten tweede, stel de structuur van het 1-3 piëzo-elektrische composietmateriaalmodel in: een vlak met een lengte van 100 mm, een breedte van 100 mm en een dikte van 10 mm, waarbij de breedte van de polymeerfase 0,28 mm is, de breedte van de piëzo-elektrische keramische kolom is 1,44 mm, de hoogte is 10 mm. Op deze manier bedraagt ​​de volumefractie van de PZT piëzo-elektrische keramische kleine kolom in het composietmateriaal 51,84%. Omdat het model van het 1-3 composietmateriaal tweefasige materialen bevat, is het rekenbedrag groot wanneer de simulatieberekening wordt uitgevoerd. Om de berekeningshoeveelheid te verminderen, wordt één eenheid van het 1-3 piëzo-elektrische composietmateriaal geselecteerd voor de simulatieberekening. Het structuurdiagram van het 1-3 piëzo-elektrische composietmateriaalmodel en het driedimensionale diagram van de piëzo-elektrische keramische kolom zijn als volgt:

1-3 type piëzo-elektrische composietmateriaalelementen zijn in elkaar grijpend en symmetrie-randvoorwaarden worden toegevoegd aan de grens rond de Z-as (lengte) van het element, en 1 V-spanning wordt toegevoegd aan het bovenoppervlak van het piëzo-elektrische keramiek in de positieve richting van de Z-as, Z = 0 Voeg een spanning van 0 V toe aan het onderoppervlak. Stel het frequentieanalysetype in en selecteer het frequentieanalysebereik (50 ~ 250 kHz) en het aantal stappen), en los vervolgens het verkregen resultaat op en post-processeer het Het toegangsdiagram wordt getoond in figuur 2. Uit figuur 2 blijkt dat de transducer voldoet aan de frequentie-eisen en dat de gevoelige componenten kunnen worden gemaakt volgens de ingestelde parameters.

 

De piëzo-elektrische composietsensor van het type 1-3 is gemaakt van piëzo-elektrische keramische blokken met een lengte van 100 mm, een breedte van 100 mm en een dikte van 10 mm. Snij in de lengte- en breedterichting volgens het modelontwerp en injecteer vervolgens epoxyhars 618. Voer na 24 uur staan ​​hetzelfde snijden uit aan de achterkant om de overtollige epoxyhars in de dikterichting weg te polijsten om een ​​1-3 type te maken. Piëzo-elektrisch composietmateriaal. Gebruik alcohol om het oppervlak van het composietmateriaal schoon te maken en breng zilverpasta aan om de elektrode te compenseren die is vernietigd door het polijsten van de epoxyhars, en maak uiteindelijk het 1-3 piëzo-elektrische composietmateriaal gevoelig element. Gebruik de Agilent 4294A impedantieanalysator om de gevoelige componenten te testen. De testresultaten laten zien dat de bandbreedte van de piëzo-elektrische composietmateriaalsensor van het type 1-3 1 is wanneer de resonantiefrequentie 151 kHz is. 71 kHz, de akoestische impedantie is 17,47 Pa·s/m3, de geleidbaarheidswaarde is 104,6 mS, de elektromechanische koppelcoëfficiënt is 0,68. De mechanische kwaliteitsfactor is 88,18. Het testresultaat van het gevoelige materiaal is goed.

 

1.3 Fabricage van hoogfrequente unidirectionele planar onderwater hydro-akoestische transducer Voeg grafiet toe aan het polyurethaan waarvan het hoofdbestanddeel epoxyhars is en roer om de vereiste waterdichte, geluiddoorlatende laag te maken, en maak de mal volgens de grootte van de transducer voor gieten en afdichten, en ten slotte een hoogfrequente unidirectionele vlakke onderwater akoestische transducer.

 

1. 4 Prestatietest transducer

Het testen van de prestaties van de transducer omvat voornamelijk het meten van de transmissiespanningsrespons, de ontvangstgevoeligheid en de directiviteitsprestaties. Het meten van de richtingsgevoeligheid van een transducer wordt meestal gebruikt om het richtingspatroon te tekenen. Tijdens de meting wordt de te testen transducer geroteerd om het doel van het meten van de zendrespons of ontvangstgevoeligheid van de transducer met de azimuthoek te bereiken, en vervolgens wordt het richtingspatroon van de transducer verkregen na conversie

 

2 Circuitontwerp

 

Gezien de point-to-point-communicatiemethode en het energieverbruik, maakt dit artikel gebruik van dubbelzijdige signaalmodulatie (DSB) en coherente demodulatie. Het modulatieprincipe wordt weergegeven in vergelijking (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Het demodulatieprincipe wordt weergegeven in vergelijking (2): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Waar: uDSB het gemoduleerde signaal is; uc (t) is het gemoduleerde signaal; uΩ (t) is het draaggolfsignaal. De essentiële functie van het DSB-modulatiecircuit is een vermenigvuldiger, die het draaggolfsignaal gebruikt om de informatie over te dragen die door het basisbandsignaal wordt overgedragen. Tijdens demodulatie wordt het gemoduleerde signaal vermenigvuldigd met een draaggolf met dezelfde frequentie en fase, en vervolgens door een banddoorlaatfilter geleid om het originele signaal te verkrijgen. Het energieconversieapparaat dat nodig is voor signaaloverdracht maakt gebruik van de vlakke ultrasone transducer die in dit artikel wordt gemaakt. Het principe van het zendende en ontvangende aandrijfcircuit wordt getoond.

 

2. 1 Circuitmodule

De STM32F103RC-microcomputer met één chip maakt gebruik van de Cortex-M3-kern en de maximale CPU-snelheid is 72 MHz. Vergeleken met de single-chip microcomputers van het model 51 en 52 is de uitvoeringssnelheid van de instructies sneller, is het volume kleiner en is de integratie eenvoudig. AD9833 is een laag stroomverbruik,

programmeerbare signaalgeneratiemodule, die kan worden geprogrammeerd om sinus-, blok- en driehoeksgolven in een bepaald frequentiebereik te genereren. De FSYNC-poort daarop is de triggerpoort op ingangsniveau, die dient als framesynchronisatie- en activeringssignaal. Wanneer FSYNC laag is, kunnen gegevens worden overgedragen. Bovendien heeft AD9833 een 16-bits besturingsregister. Door het controleregister te programmeren, kan de AD9833 werken in de door de gebruiker gewenste staat. Het gebruik van de STM32F103RC-microcomputer met één chip om de AD9833-signaalgeneratiemodule te besturen, produceert minder sinusgolfvervorming. Het circuit wordt gevoed door de TPS5430 schakelende voedingsmodule, die stabiele 5 V- en 12 V-spanningen kan leveren, waardoor vervorming en vertraging van de signaaloverdracht wordt vermeden.

 

Wanneer het externe audiosignaal het aandrijfcircuit binnenkomt, wordt het vermenigvuldigd met de 150 kHz sinusgolf die wordt gegenereerd door de draaggolfgeneratiemodule in de vermenigvuldiger AD835-module (dubbelzijband modulatiestap), en vervolgens filtert het banddoorlaatfilter een deel van de ruis uit het uitgangssignaal van de vermenigvuldiger. Het gegenereerde signaal wordt versterkt door de vermogensversterker en vervolgens verbonden met de zendtransducer, en uiteindelijk zendt de zendtransducer het signaal het water in. Dubbelzijbandmodulatie kan het basisbandsignaal naar de draaggolffrequentie verplaatsen om multiplexing te bereiken en het kanaalgebruik te verbeteren; ten tweede vergroot het de signaalbandbreedte, verbetert het anti-interferentievermogen van het systeem en verbetert het de signaal-ruisverhouding. In dit stuurcircuit versterkt de vermogensversterker het signaal om de transducer aan het werk te zetten. Het externe audiosignaal kan muziek zijn die wordt uitgezonden door de oortelefoonaansluiting van een elektronisch apparaat, zoals een mobiele telefoon, of een signaal dat wordt omgezet en uitgevoerd door extern geluid via een microfoonmodule.

 

2. 3 Ontvangst- en aandrijfcircuit

Nadat de zendtransducer het geluidsgolfsignaal naar het waterkanaal heeft verzonden, is een corresponderend ontvangend aandrijfcircuit vereist om het signaal in het waterkanaal te ontvangen en het oorspronkelijke gemoduleerde signaal te herstellen. Het werkingsprincipe van het ontvangende aandrijfcircuit, ontworpen in dit artikel. Nadat het ontvangende stuurcircuit het signaal in het kanaal heeft ontvangen, wordt het via de hoogfrequente draad naar het hoogdoorlaatfilter gestuurd en wordt de door het circuit gegenereerde en in het kanaal gemengde ruis verwijderd. Vervolgens worden dit signaal en de sinusgolf van 150 kHz vermenigvuldigd in de vermenigvuldiger AD835-module. De uitvoer van de vermenigvuldigingsoperatie wordt via de coaxiale hoogfrequente kabel naar het banddoorlaatfilter verzonden en het signaal in het vereiste frequentiebereik wordt geselecteerd (coherente demodulatiestap). Ten slotte wordt de eindversterkermodule TDA2030A gebruikt om de luidsprekermodule aan te sturen, en wordt het gedemoduleerde signaal afgespeeld in de vorm van audio. In dit systeem moeten zowel het zendende aandrijfcircuit als het ontvangende aandrijfcircuit de spanningsstabiliserende module TPS5430 gebruiken om de stabiele en stabiele werking van de spanning van elke module te garanderen, en de filters zijn allemaal actieve filters van de 4e orde. De draaggolven die worden gebruikt in het modulatie- en demodulatieproces hebben allemaal dezelfde frequentie, die wordt gegenereerd door de actieve AD9833-module nadat deze is geprogrammeerd door de STM32F103RC-microcontroller.

 

3 Experimentele verificatie

3. 1 Hydro-akoestische communicatieverificatie

Om de werking van dit systeem te verifiëren, werd een akoestische communicatietest onder water uitgevoerd in een meer met een straal van ongeveer 100 meter. Verzend de zendertransducer en de ontvangertransducer

De ontvangers worden respectievelijk in de diameterrichting aan de twee zijden van het meer geplaatst, respectievelijk verbonden met het zendende aandrijfcircuit en het ontvangende aandrijfcircuit. Omdat de frequentie van de menselijke stem over het algemeen in het bereik van 8-10 kHz ligt, inclusief veel boventooncomponenten, wordt het audiosignaal van een nummer willekeurig geselecteerd als modulatiesignaal. Het signaal wordt weergegeven door een oscilloscoop, het originele audiomodulatiesignaal wordt weergegeven in figuur 7(a) en het 150 kHz draaggolfsignaal dat wordt uitgevoerd door de AD9833 wordt weergegeven in figuur 7(b).

Het draaggolfsignaal en het audiomodulatiesignaal worden ingevoerd in de vermenigvuldiger om voorlopige modulatie uit te voeren. Na te zijn gemeten met een oscilloscoop, wordt het uitgangssignaal van de vermenigvuldiger weergegeven in figuur 8.

Volgens de frequentieweergave in figuur 8 voldoet deze aan de dubbelzijbandmodulatiewet. Het uitgangssignaal van de vermenigvuldiger wordt via de coaxiale kabel in de eindversterker ingevoerd en het vermogen van het signaal wordt vergroot in een kleiner vervormingsbereik om de transducer ertoe aan te zetten het signaal uit te voeren. Verzend de transducerinvoer weergegeven door de oscilloscoop. Het signaal wordt weergegeven in figuur 9.

In figuur 9 is te zien dat de braam is verdwenen, dat wil zeggen dat de door de schakeling gegenereerde ruis is weggefilterd. De ontvangende transducer, dat wil zeggen de hydrofoon, ontvangt het signaal van het kanaal zoals weergegeven in Figuur 10.

Het door de hydrofoon ontvangen signaal bevat audiosignalen, ruis en een deel van het gesuperponeerde signaal dat wordt veroorzaakt door het multipath-effect in het kanaal, wat resulteert in glitches en overlappingen in sommige signaalgolfvormen. Nadat het ontvangen signaal is gefilterd door een hoogdoorlaatfilter om laagfrequente ruis en gesuperponeerde signalen te verwijderen, wordt het gedemoduleerd met een sinusgolf van 150 kHz in een systeem dat bestaat uit een vermenigvuldiger en een banddoorlaatfilter om het oorspronkelijke basisbandsignaal te herstellen, en wordt de luidspreker aangedreven door de eindversterkermodule TDA2030A. Het originele audiosignaal wordt zonder vervorming uitgezonden. Het uitgezonden audiosignaal is het originele muzieksignaal. Het door het ontvangende aandrijfcircuit herstelde audiosignaal wordt weergegeven in de onderste golfvorm van figuur 11.

Figuur 11 toont een vergelijking van de twee golfvormen. Het bovenste deel toont het signaal dat door de hydrofoon wordt ontvangen, en het onderste deel is de herstelde audiosignaalgolfvorm. Het audiohersteleffect is goed. De golfvormen van het originele audiosignaal en het herstelde audiosignaal worden vergeleken en vergeleken met de originele audio en de werkelijke audiogeluidskwaliteit. Het resultaat laat zien dat het systeem een ​​150 kHz hoogfrequente, unidirectionele, planaire hydro-akoestische transducer kan aansturen. Het audiosignaal kan met hoge kwaliteit worden verzonden en de audio aan het uitzendeinde is helder en stabiel.

 

3. 2 Verificatie van de frequentie-instelbaarheid

Nadat is geverifieerd dat het systeem en de gekoppelde transducer normaal werken en functioneren, wordt een tweede experiment uitgevoerd om de instelbaarheid van de frequentie van het systeem te verifiëren. Programmeer de signaalgeneratiemodule om deze aan te passen aan de 300 kHz-transducer die in het laboratorium is gemaakt. Test het signaaloverdrachteffect. Het audiomodulatiesignaal wordt getoond in figuur 12(a), en het nieuw herstelde audiosignaal wordt getoond in figuur 12(b).

De door de oscilloscoop gedetecteerde signaalgolfvorm vertegenwoordigt het verzonden audiosignaal. In figuur 12(b) is het bovenste deel het signaal dat wordt ontvangen door de hydrofoon, en het onderste deel is de herstelde audiosignaalgolfvorm. Door de invoer- en uitvoeraudiosignalen van het systeem te vergelijken en analyseren, kan worden gezien dat het systeem audiosignalen met hoge kwaliteit kan verzenden, dat wil zeggen dat het systeem zich kan aanpassen aan signalen met verschillende resonantiefrequenties binnen een bepaald frequentiebereik.

 

3. Analyse van prestatie-indexen

In de eerste plaats bedraagt ​​de voortplantingsafstand van dit systeem, op voorwaarde van nauwkeurige hoogfrequente overdracht van informatie, meer dan 100 m bij 150 kHz, wat veel groter is dan de akoestische onderwatercommunicatieafstand van minder dan 100 meter die door veel onderwatercommunicatiesystemen wordt bereikt ten koste van de kwaliteit van de signaaloverdracht. Ten tweede kan, in termen van de prestaties van de transmissie-informatiebandbreedte, vergeleken met veel akoestische onderwatercommunicatiesystemen met een bandbreedte van ongeveer 200 Hz op de markt, de transmissiebandbreedte van dit systeem 1,71 kHz bereiken, wat grotendeels de vervorming van audiosignalen tijdens communicatie vermijdt. Ten slotte wordt, in termen van de kwaliteit van spraakcommunicatie, de helderheid van de spraakuitzending door de laatste ontvangende kant als meetstandaard gebruikt. Vergeleken met veel civiele waterspraakcommunicatieapparatuur met veel ruis en onduidelijke signalen, is het systeem getest onder dezelfde omstandigheden in het meer. Het geluid is helder en stabiel.

 

4 Conclusie

Dit artikel ontwerpt een set akoestische onderwatercommunicatiecircuits, gebaseerd op de praktische toepassing van point-to-point-communicatie en akoestische onderwatercommunicatie. Allereerst wordt, gebaseerd op de relevante theorieën over het transducerontwerp en de resultaten van het laboratorium, de structuur van de transducer gesimuleerd door ANSYS eindige-elementensimulatiesoftware, en wordt de methode van snijden en vullen uitgevoerd door het hoogwaardige gevoelige materiaal PZT5-A te gebruiken als de piëzo-elektrische keramische functionele materiaalfase, epoxyhars 618 is een polymeerfase, die de opening van de piëzo-elektrische kolom opvult om een ​​unidirectionele 1-3 type piëzo-elektrische composiet hydro-akoestische vlakke transducer te maken. Vervolgens werd de vervaardigde transducer gebruikt in het communicatiesysteem en werd een akoestisch onderwatercommunicatiecircuit met stabiele structuur en duidelijke communicatie ontwikkeld. Dit circuit kan effectieve onderwatercommunicatie realiseren, en vanwege het ontwerp van het modulatie- en demodulatiecircuit en de instelbare frequentie van het draaggolfsignaal, kan het circuit ook worden gekoppeld aan de ultrasone sonde om de functies van foutdetectie over lange afstanden en afstandsmeting te realiseren.