Design, utvikling og bruk av bredbåndskombinert akustisk undervannstransduser

introduksjon

 

Havet er ikke bare en viktig skatt av fiskeri- og mineralressurser, men også en viktig posisjon for land for å opprettholde nasjonal sikkerhet og militære kamper. Derfor har akustisk undervannsteknologi blitt et viktig middel for nåværende utforskning og utvikling av marine ressurser, undervannskommunikasjon og navigering av skip, deteksjon og gjenkjenning av undervannsmål, samt marin miljøovervåking og naturkatastrofevarsling. De akustisk undervannstransduser er bæreren av lydbølgeutslipp og mottak i den akustiske undervannsteknologien, og dens tekniske nivå påvirker direkte eller til og med bestemmer den endelige realiseringseffekten av den akustiske undervannsteknologien. Aktiv ekkolodddeteksjon og marin ressursutforskning krever svingere med lav frekvens, høy effekt og liten størrelse. Støysimulering og ekkoloddkalibrering krever akustiske undervannstransdusere med ultralav frekvens og ultrabredbåndskarakteristikk. Innenfor akustisk undervannskommunikasjon kreves det at undervanns akustiske transdusere har egenskapene høy effektivitet, ultrabredbånd, høy følsomhet og flatt in-band. Generelt utvikler undervanns akustiske transdusere seg mot lavfrekvente, bredbånd, høy effekt, liten størrelse og dypt vann. Dypvannstransduseren bruker den interne spylemetoden for å fungere på en dybde på opptil 11 000 m, og bruker koblingen av det indre oljehulrommet og strukturelle deler for å danne multi-modus vibrasjon, som utvider frekvensbåndet til svingeren. Et multiresonant hulrom dannes av overfylte runde rør av forskjellige størrelser, og arbeidsfrekvensen kan justeres ved å endre størrelsen på de runde rørene for å få en bredere transduser.

 

Båndbredden til frekvensområdet er 200Hz~2kHz. Diameteren til undervanns hydrofonsvinger er 250 mm og lengden er 500 mm. Dekningsbåndet er 7~15kHz, lydkildenivået er 200dB, mottaksfølsomheten er -176dB, og arbeidsdybden under vann er 11000m. Den nylig utviklede transduseren har en størrelse på Diameteren er 240 mm, lengden er 420 mm, dekningsfrekvensbåndet er 1,8 ~ 8,0 kHz, overføringsresponsen er 144 dB, og svingningene i båndet er mindre enn 6 dB. Oppsummert har oversjøiske akustiske undervannstransdusere dekket hele arbeidsfrekvensbåndet, til og med dekket hele vannområdet, og har dannet en viss skala i engineering, serialisering og generalisering, som representerer det avanserte nivået i industrien. Innenlandske forskningsinstitutter og andre relaterte enheter har utført mye forskning og eksperimenter, og har oppnådd visse resultater. Imidlertid er det fortsatt et visst gap i nøkkelteknologien og prosesseringsteknologien til akustiske undervannstransdusere sammenlignet med utlandet, spesielt i De stadig økende kravene til ultrabredbånd, liten størrelse og høy ytelse innen akustisk undervannsdeteksjon krever dyptgående forskning. Utviklingskrav .Med utviklingen av støyreduksjonsteknologi for skip i ulike land har støynivået til skip og undervannsmål blitt gradvis redusert. Undervannsvåpen og utstyr som torpedoer bruker for det meste bredbånds-akustiske undervannstransdusere for å utvide deteksjonsområdet og forbedre kompleks undervannsakustikk. Deteksjonsevnen og treffnøyaktigheten under etterklangsbakgrunnen forbedrer evnen til gjenkjenning av undervannsmål. I tillegg, som svar på ulike mariner, etterretningsbyråer, økonomiske enheter, og til og med internasjonale terrororganisasjoner, utføres ofte i utplassering av froskemenn, autonome undervannsfarkoster (AUV) og mikroubåter for rekognosering, sabotasje, eksplosjoner og mineleggingsoperasjoner i småskala operasjoner. Fjernstyrte ubemannede nedsenkbare fartøyer (ROV) og andre undervannsfarkoster er utstyrt med forskjellig deteksjonsutstyr for sikkerhetsbeskyttelse, og det stilles spesifikke krav til de viktigste tekniske indikatorene for deres sonar. I denne artikkelen, som tar sikte på kravene til akustisk deteksjon av våkneboblene til overflateskip, er en modell designet og utviklet med 3 ~ 100kHz ultrabredbånds mottaks- og sendefunksjoner, som kan utføre sanntids akustisk undervannsmåling av våkneboblene til skip ved en stor åpningsvinkel, og krever at hver annen sender-funksjon er avhengig av mottaks- og mottaksvinkelen. Og kontrollerbar, den generelle strukturen må være kompakt, den fysiske størrelsen er liten, og den er enkel å installere og bruke på en liten ROM. Tatt i betraktning de faktiske kravene og faktiske arbeidsforhold, er de viktigste tekniske indikatorene for svingeren beskrevet i denne artikkelen som følger: 1) Sendefrekvensen er 3~100kHz, og mottaksfrekvensen er 1~100kHz. 2) Emisjonslydkildenivået ≥ 189dB. 3) Mottaksfølsomhet ≥ -180dB. 4) In-band fluktuasjon ≤ 6dB. 5) Strålebredde (horisontal) ≥ 90° (-3dB). 6) Strålebredde (vertikal) ≥ 70° (-3dB). 7) Arbeidsvanndybde ≥ 500m. 8) Dimensjoner ≤ 350 mm × 150 mm × 250 mm. 9) Masse ≤ 10 kg. Blant dem er ROV en liten deteksjonsstruktur, og dens bæreevne er begrenset, så transduseren må være så liten som mulig, lett i vekt og enkel å implementere under forutsetningen om å møte ytelsesindikatorer.

 

2 Transduserdesign og utvikling

 

2.1 Transduserdesign og simuleringsanalyse

De undervanns sylinderisk transduser tilhører en separat struktur for mottak og sending. Sendeenden er realisert ved å bruke tre sammensatte stangstruktursendere, og de tilsvarende frekvensbåndene er 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz, 45 ~ 100kHz; mottakerenden er realisert ved å bruke 2 piezoelektriske keramiske ringseriehydrofoner, og frekvensbåndene er henholdsvis 1-40kHz, 40-100kHz. Den ovennevnte sender- og mottakstransduserbasen er pakket som en helhet, og en antiakustisk baffel er utformet på innsiden. Etter at pakken er integrert, er den totale massen ca. 9 kg. Den generelle formen til transduseren er en uregelmessig kuboid. Grunnstørrelsen er omtrent 310 mm × 150 mm × 220 mm. Utseendet er vist i figur 1. Hovedkabelen kan kobles til eksternt ekkolodd elektronisk utstyr i form av kontakter.

 

Med sikte på de viktigste tekniske indekskravene til den akustiske undervannstransduseren i denne artikkelen, kombinert med designskjemaet ovenfor, utføres simuleringsanalyse av dens sende- og mottaksytelse. På grunn av den komplekse strukturen til transduseren designet i denne artikkelen og den brede frekvensbånddekningen, er ikke teoretiske analysemetoder egnet for beregning og simulering. Som vi alle vet, er den endelige elementmetoden en numerisk simuleringsmetode som er mye brukt i dagens ingeniørpraksis. Bruk ANSYS-programvare til å simulere et vannområde i fritt felt og etablere en forenklet modell av svingeren. Velg et punkt i fjernfeltenheten rett foran frontdekselet for å beregne lydtrykket, og deretter kan transduserens sendespenningsrespons konverteres. I fjernfeltsenheten velger du lydtrykket i hver retning i en viss avstand langs midten av svingeren for å beregne den åpne vinkelen til transduserens emisjonsdirektivitet. Siden den sammensatte stangtransduseren har aksial symmetri, velges en 2D-aksesymmetrisk transdusermodell for finittelementanalyse. Når du bruker ANSYS-beregning, er det nødvendig å vurdere påvirkningen av vann på transduseren. Vanligvis er den tilsvarende effekten en vannpolo, og deretter påføres belastningen for å beregne løsningen. Modellen av svingeren i vannet er vist i figur 2 og 3.

 

Det kan sees fra figurene 2 og 3 at sendetransduserne er utformet med dual-resonance peak bredbånd. Resonansfrekvensene til 3~18kHz-enheten til den sendende transduseren er 5kHz, 14kHz, og resonansfrekvensene til enheten på 18~45kHz er 20kHz, 40kHz, og resonansfrekvensene på 45-100kHz. 1-40kHz-enheten til mottakshydrofonen bruker en piezoelektrisk ring, og enkeltringsresonansfrekvensen er større enn 40kHz for å sikre et flatt arbeidsfrekvensbånd. Den interne to-serier og to-parallelle strukturen forbedrer følsomhet og stabilitet; 40-100kHz-enheten til mottakshydrofonen bruker piezoelektrisk komposittmateriale, resonansfrekvensen er større enn 100kHz for å sikre flathet i båndet. I denne artikkelen brukes den endelige element-ligningen som MU ¨ + CU · +KU = F (1) hvor: M er massematrisen; C er dempningsmatrisen; K er stivhetsmatrisen; U er nodalforskyvningsvektoren; F er lastvektoren. Emisjonsspenningsresponsnivået TVR er TVR = 20 lg p RV + 120 (2) hvor: p er lydtrykket til noden; R er avstanden fra noden til det ekvivalente sentrum av lydkilden; V er den påførte spenningen. Trekk ut lydtrykket p av noden på den akustiske aksen i ANSYS, og beregn emisjonsresponskurven til transduseren. I den faktiske utformingen er den overførende delen av den akustiske undervannstransduseren sammensatt av tre typer komposittstangstransdusere, som realiserer bredbåndsretningsutslipp og undertrykker den bakre strålingen samtidig. Sendetransduseren dekker et bredt frekvensområde og brukes hovedsakelig til akustisk undervannsmåling. Den må ha god flathet i båndet for å sikre nøyaktigheten av akustisk måling under vann. I ingeniørfag brukes ofte metoder som å optimalisere størrelsen på transduserens utstrålingshode, eller kontrollere faseoptimaliseringen for å redusere svingningene i båndet, og seriemotstanden på den piezoelektriske keramiske stabelen før og etter dual-resonance (eller 'dual excitation') emisjonstransduseren. , For ytterligere å redusere fluktuasjonen i transduserens sendespenningsrespons i arbeidsfrekvensbåndet. Denne artikkelen tar for seg størrelsen og kvaliteten på transduseren som er montert på den lille ROM-en, så vel som den generelle installasjonsstrukturen, og tar hovedsakelig i bruk litteraturmetoden for å undertrykke svingningene i båndet til den overførende transduseren, det vil si metoden for å justere motstanden til den matchende motstanden. Forutsatt at seriemotstanden til de fremre og bakre piezoelektriske keramiske stablene inne i sendertransduseren er henholdsvis R1 og R2, blir motstandsverdiene til R1 og R2 justert for å kontrollere flatheten til transduseren i båndet. Gjennom finite element-analyse simuleres emisjonsresponsen til den sendende transduseren under forskjellige motstandsverdier. Tar man den konstruerte 18~45kHz dobbeltresonanstransduseren som et eksempel, viser simuleringsanalysen at senderesponsen varierer med motstandsverdikurven som vist i figur 4. Det kan sees av figuren at justering av R1 og R2 i utgangspunktet kan kontrollere flatheten i frekvensbåndet til den sendende transduseren. Ved å optimalisere motstandene R1 og R2, kan det konkluderes med at når R1=940 Ω , R2=330 Ω , har den bedre flathet i båndet. (vist med den stiplede linjen i figur 4), og den totale emisjonsresponsen i båndet endres ikke mye,

 

Den kan oppfylle designkravene, kombinert med den faktiske fysiske størrelsen og bredbåndsimpedanstilpasning, omfattende simulering kan få 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz og 45 ~ 100kHz sendersenderspenningsresponssimuleringsresultater, som vist i figur 5-7. Det kan sees fra fig. 5-7 at transduserens senderspenningsrespons ikke er mindre enn 140dB i frekvensbåndet, som oppfyller kravene til designinngangsrelaterte tekniske indikatorer, og kan gi et større lydkildenivå for akustisk langdistanse undervannsdeteksjon.

Mottaksdelen av den hydroakustiske transduseren er realisert ved kombinasjonen av to sett med hydrofonarrayer, som hver vedtar en serie- og parallellkobling av piezoelektriske keramiske ringer for å oppnå retningsmottak. Blant dem er 1-40kHz frekvensbåndhydrofonen laget i form av to piezoelektriske keramiske ringer koblet i serie. Følsomheten til en enkelt hydrofon er ikke mindre enn -193dB, og følsomheten til hydrofonen etter seriekobling er ikke mindre enn -178dB. Resultatene fra sensitivitetssimuleringsanalysen er vist i figur 8. Hydrofonen har ingen horisontal retning (baffel-justerbar retningsvirkning kan brukes), og 3kHz vertikale retningsvirkning er omtrent 130 ° . Simuleringsresultatene er vist i figur 9. Den vertikale 40 kHz-direktiviteten er omtrent 73 ° , og simuleringsresultatene er vist i figuren 

 

 

11. Mottaksdelen av hydrofonen i 40~100kHz frekvensbåndet vedtar to piezoelektriske keramiske ringseriestrukturer. Arbeidsfrekvensen kan møte bruken av 40~100kHz, men følsomheten er lav. Etter seriekoblingen er hydrofonens følsomhet ikke mindre enn -180dB. Følsomhetssimuleringsresultatene er som følger Som vist i figur 11. Nivået på hydrofonen har ingen retningsvirkning (en ledeplate kan brukes for å justere retningsvirkningen), og den vertikale retningsvirkningen ved 100kHz er omtrent 77 ° . Simuleringsresultatene er vist i figur 12

I henhold til simuleringsanalysen basert på finite element-metoden, kan den kombinerte transduseren designet i denne artikkelen oppfylle designinngangskravene når det gjelder sending og mottak, og de viktigste tekniske indikatorene er tilfredsstilt.

 

 2.2 Svingerutvikling

Bredbåndet til sammen sfærisk akustisk undervannstransduser er installert på en liten ROM for bruk. På grunnlag av å møte behovene til akustisk bredbåndsdeteksjon, fokuserer den på liten størrelse og lettvektsdesign. I denne artikkelen, kombinert med den overordnede strukturdesignen til en liten ROM, er den endelig utviklede transduseren vist i figur 13. Den spesifikke designstrukturen er vist i figur 14. Den bredbåndskombinerte akustiske undervannstransduseren designet og utviklet i denne artikkelen dekker sendefrekvensområdet på 3~100kHz, mottakeren er 1~10 kHz frekvensbåndet til det totale frekvensbåndet til det fysiske objektet og det fysiske objektet. 9,4 kg (i luften, inkludert braketten og tilkoblingskabelen), størrelsen er 328,5 mm × 140 mm × 240 mm, som er mindre enn størrelses- og kvalitetskravene i designinngangen, noe som reduserer kravene til ROM-bærekapasitet. Svingeren matches og installeres på ROM-kroppen, og det faktiske objektet etter installasjonen er vist i figur 15. Simuleringsanalyseresultatene kan brukes som designreferanseinngang, men i den påfølgende faktiske utviklings- og feilsøkingsprosessen må den justeres i henhold til den faktiske målesituasjonen for å møte de faktiske brukskravene.

 

3 Eksperimentell test

Sendedelen av den bredbåndskombinerte akustiske undervannstransduseren vedtar 3 vertikale enheter for å danne et arbeidsfrekvensbånd som dekker 3~100kHz, og mottaksdelen vedtar 2 uavhengige enheter for å danne et arbeidsfrekvensbånd som dekker 1~100kHz. Den generelle utformingen av overføring i begge ender og mottak i midten er tatt i bruk for å sikre åpningsvinkelen til svingeren. En antiakustisk baffel er designet inne i svingeren for å redusere den interne refleksjonen og superposisjonen av det akustiske signalet. Samtidig er en justerbar støttemekanisme tatt i bruk i mottaksdelen, og høyden på mottakstransduseren justeres begrenset i henhold til den faktiske testsituasjonen for å utvide mottaksåpningsvinkelen ytterligere for å unngå okklusjon og refleksjon av transduserskallet og ROV-kroppen. Etter at utviklingen er fullført, for ytterligere å oppnå den faktiske arbeidsytelsen til transduseren, som er forskjellig fra den uavhengige transceivertestmetoden som vanligvis brukes i laboratoriet, brukes den generelle akustiske ytelsesindekstesten til transduseren her. Det vil si at etter at det hele er installert på ROV-en, utføres tanktesten av transduseren under simulering av faktiske arbeidsforhold for ytterligere å bekrefte at transduseren er installert på ROV-en og påvirkes av ROV-strukturen, for å oppnå den faktiske arbeidstilstanden til svingeren. Reelle ytelsesparametere. En omfattende test ble utført i en ekkofri pool for å verifisere realiseringen av ytelsesindikatorene. Testforholdene for det ekkofrie vannbassenget. romtemperaturen er 25 ℃ , testkabellengden er 3 m, vanndybden er 3 m, omgivelsesvanntemperaturen er 20 ℃ , isolasjonsmotstanden er 500 M Ω , den statiske kapasitansen er 51 000 pF, og testavstanden er 6,2 m. De faktiske måleresultatene er vist i figur 16

 

 

ROV-en brukes til å montere en bredbåndskombinert akustisk undervannstransduser for å utføre bredbånds-undervannsakustisk deteksjon av våkneboblene til et overflateskip, og oppnå de relevante akustiske egenskapene til kjølvannsboblene og den fysiske størrelsen på kjølvannet. I den spesifikke innsjøtesten ble overflateskipet brukt til å gjøre høyhastighets direkte navigasjon på vannoverflaten. Skipet var 7,5 m langt, 3 m bredt og hadde et dypgående på 0,35 m. Propellen til den eksterne motoren var 0,8 m under vann. Testvannområdet er et åpent område av en innsjø, gjennomsnittlig dybde på området er 35m, og skipets hastighet er 10 knop ved passering av målepunktet. ROV-en er utstyrt med en bredbåndskombinert akustisk undervannstransduser i denne artikkelen for kontinuerlig måling. Ved gjentatte målinger brukes forskjellige akustiske frekvenskombinasjoner for deteksjon, og måleresultatene av våkneboblefordeling oppnås, som vist i figur

 

 

Det kan ses av figur 18 at selve målingen av skipets kjølvannsboblestørrelse er konsentrert i den høye tettheten på 10-20 μm . Måleresultatet samsvarer med den høyeste bobletalltettheten i kjølvannet gitt av litteraturen med en radius på 10-20 μm , som beviser at transduseren .Enheten oppfyller testkravene i det faktiske arbeidsmiljøet. Samtidig brukes transduseren til kontinuerlig å måle våkneboblelaget som dannes etter at overflateskipet seiler, og i henhold til den oppnådde informasjonen om våknboblens akustiske målintensitet, kombinert med det gjeldende akustiske undervannsmiljøet (som lydhastighet, vanndybde, etc.) og tidligere data (som transduserfølsomhet, emisjonslydkildenivå, estimert kretsstyrke, etc.), kretsforsterkning i henhold til algorithmen. oppnådde boblestyrkekurven med dybde og tid som vist i figur 19. Det kan sees av figur 19 at kjølvannsboblevarigheten er ca. 173 s, og den faktiske målende middelste kjølvannsbobletykkelsen er 1,46 m, noe som i utgangspunktet stemmer overens med den empiriske formelen gitt av den konvensjonelle kjølvannsberegningsformelen. Oppsummert, gjennom den overordnede måletesten i det ekkofrie bassenget, viser måleresultatene at den faktiske ytelsen til transduseren i utgangspunktet er i samsvar med simuleringsresultatene. Den er installert på ROV-plattformen og verifisert av selve navigasjonstesten på innsjøen. Testresultatene viser at transduseren dekker et bredt frekvensbånd, har en liten struktur, og måleresultatene stemmer i utgangspunktet med empiriske formler. Måledataene er troverdige og kan oppfylle kravene til overflateskips våknebobler.

 

 4 Konklusjon

 

 Denne artikkelen foreslår en kombinert integrert transduserdesignmetode, med et lavfrekvent til høyfrekvent bredbåndsdriftsfrekvensbånd, som er karakterisert ved at sendeenden kan dekke 3~100kHz, mottakerenden dekker 1~100kHz, og åpningsvinkelen er ikke mindre enn 70 ° ; Vedta en separat transceiver-layout, sende i begge ender, motta konsentrert i midten, intern akustisk baffelstrukturdesign; de interne komponentene til transduseren er integrert og sendes ut gjennom en vanntett kobling, noe som reduserer kompleksiteten til eksterne tilkoblinger; Gjennom senterstøttestrukturen til transduseren kan det generelle tyngdepunktet til transduseren justeres, noe som er praktisk for tilpasning og installasjon av små undervannsfartøyer som ROV; den åpne utformingen av svingeren, den mekaniske lastbæringen gjennom metallstøtten, reduserer hele svingeren. Kvaliteten og størrelsen på enheten forbedrer passformen. Denne svingeren har fordelene med bredt arbeidsfrekvensbånd, større åpningsvinkel og lettere vekt under begrensning av liten størrelse. Den har blitt brukt på en liten ROM, som løser problemet med ultrabredbånds-akustisk testing under vann på en liten ROM-plattform. Har høy militær og sivil verdi.