Design av driv- og mottakskrets basert på akustisk undervannstransduser

Med utgangspunkt i behovene til militær ubåtkommunikasjon og sivil undervannskommunikasjon, en enveis planar undervanns hydroakustisk transduser med en resonansfrekvens på 150 kHz ble produsert, og sender- og mottakerdrivkretsene til transduseren ble designet basert på prinsippet om punkt-til-punkt-kommunikasjon. Den akustiske undervannstransduseren plasseres i vannområdet og kobles til kretsen for å realisere langdistanse undervannskommunikasjonsfunksjonen. Kretsen ble testet på en selvdesignet eksperimentell plattform. Testresultatene viser at den fremstilte transduseren har høyere emisjonsspenningsrespons og følsomhet, enkel retningsvirkning, og den akustiske undervannskommunikasjonskretsen har justerbar frekvens, og kommunikasjonen er klar og stabil. Den akustiske undervannskommunikasjonskretsen kan brukes til militær og sivil kommunikasjon, og er enkel å flytte og bære, og lett å feilsøke. På grunn av absorpsjon av elektromagnetiske bølger, lysbølger og andre energiformer av sjøvann og eksistensen av dyphavs 'konvergenssoner', er lydbølger foreløpig den eneste kjente energiformen som kan overføre signaler trådløst over lange avstander under vann. Lydbølger med en vibrasjonsfrekvens over 20 kHz kalles ultralydbølger. Sammenlignet med vanlige lydbølger har ultralydbølger bedre retningsevne, sterkere penetreringskraft og bedre refleksjonsytelse. Derfor er de mye brukt i informasjonsoverføring, skadedeteksjon, avstandstesting og medisinske og helsemessige felt. Men i forplantningsprosessen øker energitapet til lydbølgen i vannkanalen med økningen av frekvensen, slik at den tilgjengelige båndbredden til vannkanalen er smal og informasjonskapasiteten er liten. Derfor spiller ytelsen til sende- og mottaksdrivkretsen en viktig rolle i kvaliteten på akustisk undervannskommunikasjon. I forrige århundre utviklet US Harris Acoustic Products Company, Frankrike og Storbritannia hydroakustiske kommunikatorer som er egnet for kommunikasjon med skip under vann. De brukte enkeltsidebåndsmodulasjon og brukte hydrofoner med stort volum som 'vinduet' for signaloverføring og mottak. , For å oppnå en viss avstand med undervannskommunikasjon, men utstyret er komplekst, transduseren er stor og retningen er ikke skarp nok, ikke egnet for sivil bruk; Sammensatt til et analogt kommunikasjonssystem basert på Linux-signalbehandlingsprogramvare, på kanalsimulatoren er langdistansekommunikasjon realisert, men den ideelle designkanalen er forskjellig fra den faktiske vannkanalen; andre har bygget et undervannskommunikasjonssystem basert på parallell kombinert kartleggingssekvens spredt spektrum, ved å bruke DSP-brikke som informasjonsbehandlingsmodul, og dermed realisere undervannsskjult, høyhastighetsoverføring av informasjon mellom plattformer. Imidlertid brukes 555-timeren tradisjonelt til å generere en bærebølge med en spesifikk vibrasjonsfrekvens for å drive drivkretsen til transduseren, og den genererte bølgeformens frekvensstabilitet er relativt dårlig; og den nylig fremvoksende DSP-brikkeprosesseringsteknologien har komplekse algoritmer og må utføres for forskjellige farvann. Den kompliserte beregningsmodifikasjonen og kompensasjonen er ikke egnet for storskala forfremmelse på det sivile området. I tillegg er probene som brukes i kommunikasjonskretsen signaltransceiver-enheter som er utviklet, ikke skarpe nok, kraften er ikke konsentrert, og båndbredden er relativt smal, noe som ikke bidrar til signaloverføring og mottak. Imidlertid er de fleste ultralydsendere ikke egnet for vannkanaldrift og kan ikke dekke faktiske sivile og militære behov.

 

1) Basert på et lite volum enveis akustisk undervannstransduser , denne artikkelen bruker dobbeltsidebåndmodulasjon og koherente demoduleringsmetoder for å utvikle en sende- og mottaksdrivkrets som er egnet for undervannskommunikasjon. Den akustiske undervannskommunikasjonskretsen har høyfrekvensbåndutnyttelse og frekvensjusterbar, egnet for 0 kHz ~ 12. 5 MHz frekvensomformeren har en kommunikasjonsavstand på opptil 100 meter. Sende- og drivkretsen, mottaks- og drivkretsen og sendetransduseren og hydrofonen i kretsen danner sammen et sett med hydroakustisk kommunikasjonssystem. Systemet bruker senderen og hydrofonen som 'vindu' for signalutveksling, bruker STM32F103RCT6 og AD9833 som bæresignalkilde, og kombinerer de relevante modemkomponentene for til slutt å oppnå stabil og tydelig kommunikasjon.

 

1 Transduserproduksjon

 

Det 1-3 piezoelektriske komposittmaterialet refererer til et materiale dannet av endimensjonale koblede piezoelektriske keramiske søyler anordnet parallelt i en tredimensjonal koblet polymer. Sammenlignet med rene keramiske piezoelektriske materialer 1-3 piezoelektriske komposittmaterialer, har det bedre effekter i skadedeteksjon og produksjon av sende- og mottakstransdusere. Derfor bruker den akustiske bølgesendere/mottakermodulen til dette systemet en plan ultralydsvinger laget av 1-3 piezoelektriske komposittmaterialer utviklet i laboratoriet, som er sammensatt av et 1-3 piezoelektrisk kompositt, planfølsomt element, et vanntett lydgjennomtrengelig lag, en elektrodeledning og et deksel av stivt skum og metall av høy kvalitet. Før du lager transduseren, er det nødvendig å bruke ANSYS finite element simuleringsprogramvare for modellarkitektur og simuleringsberegning.

 

Simulering av 1-3 piezoelektrisk komposittsensor

 

I ANSYS finite element-simuleringsprogramvare, sett først enhetstype, tetthet, Poissons forhold og Youngs modul til epoksyharpiksen, og still inn tetthet, stivhetsmatrise, dielektrisk konstantmatrise og piezoelektrisk matrise for den piezoelektriske keramikken. For det andre, sett strukturen til den 1-3 piezoelektriske komposittmaterialemodellen: et plan med en lengde på 100 mm, en bredde på 100 mm og en tykkelse på 10 mm, hvor bredden på polymerfasen er 0, 28 mm, bredden på den piezoelektriske keramiske kolonnen er 4 mm 0, høyden er 4 mm. På denne måten er volumfraksjonen av den piezoelektriske keramiske lille kolonnen PZT i komposittmaterialet 51,84%. Siden modellen av 1-3 komposittmaterialet inneholder tofasematerialer, er beregningsmengden stor når simuleringsberegningen utføres. For å redusere beregningsmengden velges en enhet av det 1-3 piezoelektriske komposittmaterialet for simuleringsberegningen. Strukturdiagrammet for den 1-3 piezoelektriske komposittmaterialmodellen og det tredimensjonale diagrammet til den piezoelektriske keramiske kolonnen er som følger:

1-3 type piezoelektriske komposittmateriale-elementer er meshed, og symmetrigrensebetingelser legges til grensen rundt Z-aksen (lengde) av elementet, og 1 V spenning legges til den øvre overflaten av den piezoelektriske keramikken i positiv retning av Z-aksen, Z = 0 V Legg til en spenning av bunnen frekvensen analyse og frekvensen 0S. analyseområde (50 ~ 250 kHz) og antall trinn), og deretter løse og etterbehandle, er det oppnådde adgangsdiagrammet vist i figur 2. Det kan sees fra figur 2 at transduseren oppfyller frekvenskravene, og de sensitive komponentene kan lages i henhold til de angitte parametrene.

 

Den piezoelektriske komposittsensoren av typen 1-3 er laget av piezoelektriske keramiske blokker med en lengde på 100 mm, en bredde på 100 mm og en tykkelse på 10 mm. Skjær i lengde- og bredderetningene i henhold til modelldesign, og injiser deretter epoksyharpiks 618. Etter å ha stått i 24 timer, utfør samme kutting på baksiden for å polere av overflødig epoksyharpiks i tykkelsesretningen for å lage en 1-3 type. Piezoelektrisk komposittmateriale. Bruk alkohol til å rengjøre overflaten av komposittmaterialet, og påfør sølvpasta for å kompensere for elektroden som ble ødelagt ved å polere epoksyharpiksen, og til slutt gjør det 1-3 piezoelektriske komposittmaterialet følsomt element. Bruk Agilent 4294A impedansanalysator for å teste de sensitive komponentene. Testresultatene viser at båndbredden til den piezoelektriske komposittmaterialsensoren av typen 1-3 er 1 når resonansfrekvensen er 151 kHz. 71 kHz, den akustiske impedansen er 17. 47 Pa·s/m3, konduktivitetsverdien er 104. 6 mS, den elektromekaniske koblingskoeffisienten er 0. 68. Den mekaniske kvalitetsfaktoren er 88. 18. Testresultatet for det sensitive materialet er godt.

 

1.3 Fremstilling av høyfrekvent ensrettet plan undervanns hydroakustisk transduser Legg grafitt til polyuretanen hvis hovedkomponent er epoksyharpiks og rør for å lage det nødvendige vanntette lydgjennomtrengelige laget, og lag formen i henhold til størrelsen på transduseren for helle og forsegling, Og til slutt laget en høyfrekvent ensrettet plan undervanns akustisk transduser.

 

1. 4 Test av svingerens ytelse

Testing av ytelsen til svingeren inkluderer hovedsakelig måling av overføringsspenningsresponsen, mottaksfølsomhet og retningsytelse. Måling av retningsvirkningen til en transduser brukes vanligvis til å tegne retningsmønsteret. Under målingen roteres transduseren som testes for å oppnå formålet med å måle transduserens senderespons eller motta følsomhet med asimutvinkelen, og deretter oppnås retningsmønsteret til transduseren etter konvertering

 

2 Kretsdesign

 

Med tanke på punkt-til-punkt-kommunikasjonsmetoden og strømutnyttelseshastigheten, tar denne artikkelen i bruk dobbeltsidebånd (DSB) signalmodulasjon og koherent demodulering. Modulasjonsprinsippet er vist i ligning (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Demodulasjonsprinsippet er vist i ligning (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Hvor: uDSB er det modulerte signalet; uc(t) er det modulerte signalet; uΩ (t) er bæresignalet. Den essensielle funksjonen til DSB-modulasjonskretsen er en multiplikator, som bruker bæresignalet til å overføre informasjonen som bæres av basebåndsignalet. Under demodulering multipliseres det modulerte signalet med en bærebølge med samme frekvens og fase, og sendes deretter gjennom et båndpassfilter for å oppnå det originale signalet. Energikonverteringsenheten som kreves for signaloverføring, bruker den plane ultralydsvingeren laget i denne artikkelen. Prinsippet for sende- og mottaksdrivkretssystemet er vist.

 

2. 1 Kretsmodul

STM32F103RC-mikrodatamaskinen med én brikke bruker Cortex-M3-kjernen, og dens maksimale CPU-hastighet er 72 MHz. Sammenlignet med 51 og 52-modellene med enkeltbrikke mikrodatamaskiner, er instruksjonsutførelseshastigheten raskere, volumet er mindre og integrasjonen er enkel. AD9833 er et lavt strømforbruk,

programmerbar signalgenereringsmodul, som kan programmeres til å generere sinus-, firkant- og trekantbølger i et visst frekvensområde. FSYNC-porten på den er inngangsnivåutløserporten, som fungerer som rammesynkronisering og aktiveringssignal. Når FSYNC er lav, kan data overføres. I tillegg har AD9833 et 16-bits kontrollregister. Ved å programmere kontrollregisteret kan AD9833 fungere i den tilstanden brukeren krever. Bruk av STM32F103RC-modellen enkeltbrikke mikrodatamaskin for å kontrollere AD9833-signalgenereringsmodulen gir mindre sinusbølgeforvrengning. Kretsen drives av TPS5430-svitsjingsstrømforsyningsmodulen, som kan gi stabile 5 V og 12 V spenninger, og unngår forvrengning og forsinkelse av signaloverføring.

 

Når det eksterne lydsignalet kommer inn i drivkretsen, multipliseres det med 150 kHz sinusbølgen generert av bærebølgegenereringsmodulen i multiplikatoren AD835-modulen (dobbeltsidebåndsmodulasjonstrinn), og deretter filtrerer båndpassfilteret ut deler av støyen til multiplikatorutgangssignalet. Det genererte signalet forsterkes av effektforsterkeren og kobles deretter til den sendende transduseren, og til slutt sender den sendende transduseren signalet ut i vannet. Dobbelsidebåndmodulasjon kan flytte basebåndsignalet til bærefrekvensen for å oppnå multipleksing og forbedre kanalutnyttelsen; for det andre utvider den signalbåndbredden, forbedrer systemets anti-interferensevne og forbedrer signal-til-støy-forholdet. I denne drivkretsen forsterker effektforsterkeren signalet for å drive transduseren til å fungere. Det eksterne lydsignalet kan være musikk som ledes av øretelefonkontakten på en elektronisk enhet, for eksempel en mobiltelefon, eller et signal som konverteres og ledes av ekstern lyd gjennom en mikrofonmodul.

 

2. 3 Mottaks- og kjørekrets

Etter at den senderende transduseren har sendt lydbølgesignalet til vannkanalen, kreves det en tilsvarende mottaksdrivkrets for å motta signalet i vannkanalen og gjenopprette det opprinnelige modulerte signalet. Arbeidsprinsippet til den mottakende drivkretsen designet i denne artikkelen. Etter at den mottakende drivkretsen mottar signalet i kanalen, sendes det til høypassfilteret gjennom høyfrekvensledningen, og støyen som genereres av kretsen og blandes i kanalen, fjernes. Deretter multipliseres dette signalet og 150 kHz sinusbølge i multiplikatoren AD835-modulen. Utgangen fra multiplikatoroperasjonen blir overført til båndpassfilteret gjennom den koaksiale høyfrekvenskabelen, og signalet i det nødvendige frekvensområdet velges (koherent demodulasjonstrinn). Til slutt brukes effektforsterkermodulen TDA2030A til å drive høyttalermodulen, og det demodulerte signalet spilles av i form av lyd. I dette systemet må både den sendende drivkretsen og den mottakende drivkretsen bruke spenningsstabiliseringsmodulen TPS5430 for å sikre stabil og stabil drift av spenningen til hver modul, og filtrene er alle 4. ordens aktive filtre. Bærebølgene som brukes i modulasjons- og demodulasjonsprosessen er alle av samme frekvens, som genereres av den aktive AD9833-modulen etter å ha blitt programmert av STM32F103RC-mikrokontrolleren.

 

3 Eksperimentell verifisering

3. 1 Hydroakustisk kommunikasjonsverifisering

For å verifisere funksjonen til dette systemet ble det utført en akustisk kommunikasjonstest under vann i en innsjø med en radius på ca. 100 m. Send sendersvingeren og mottakertransduseren

Mottakerne er henholdsvis plassert på de to sidene av innsjøen i diameterretningen, henholdsvis koblet til den sendende drivkretsen og den mottakende drivkretsen. Siden frekvensen til menneskelig stemme generelt er i området 8-10 kHz, inkludert mange overtonekomponenter, blir lydsignalet til en sang tilfeldig valgt som modulasjonssignal. Signalet vises av et oscilloskop, det originale lydmodulasjonssignalet er vist i figur 7(a), og 150 kHz-bæresignalet som sendes ut av AD9833 er vist i figur 7(b)

Bærebølgesignalet og lydmodulasjonssignalet sendes inn til multiplikatoren for å utføre foreløpig modulasjon. Etter å ha blitt målt med et oscilloskop, vises utgangssignalet til multiplikatoren i figur 8.

I henhold til frekvensvisningen i figur 8, samsvarer den med dobbeltsidebåndsmodulasjonsloven. Utgangssignalet til multiplikatoren føres inn i effektforsterkeren gjennom koaksialkabelen, og signalets effekt økes i et mindre forvrengningsområde for å drive transduseren til å sende ut signalet. Sendetransduserinngang vist med oscilloskop. Signalet er vist i figur 9.

Det kan observeres i figur 9 at graten har forsvunnet, det vil si at støyen generert av kretsen har blitt filtrert ut. Den mottakende transduseren, det vil si hydrofonen, mottar signalet fra kanalen som vist i figur 10.

Signalet som mottas av hydrofonen inneholder lydsignaler, støy og deler av det overlagrede signalet forårsaket av flerveiseffekten i kanalen, noe som resulterer i feil og overlapping i enkelte signalbølgeformer. Etter at det mottatte signalet er filtrert av et høypassfilter for å fjerne lavfrekvent støy og overlagrede signaler, demoduleres det med en 150 kHz sinusbølge i et system som består av en multiplikator og et båndpassfilter for å gjenopprette det originale basebåndsignalet, og høyttaleren drives av effektforsterkermodulen TDA2030A. Det originale lydsignalet kringkastes uten forvrengning. Det kringkastede lydsignalet er det originale musikksignalet. Lydsignalet gjenopprettet av den mottakende drivkretsen er vist i den nederste bølgeformen i figur 11.

Figur 11 viser en sammenligning av de to bølgeformene. Den øvre delen viser signalet mottatt av hydrofonen, og den nedre delen er den gjenopprettede lydsignalbølgeformen. Lydgjenopprettingseffekten er god. Bølgeformene til det originale lydsignalet og det gjenopprettede lydsignalet sammenlignes og sammenlignes med originallyden og den faktiske lydkvaliteten. Resultatet viser at systemet kan drive en 150 kHz høyfrekvent ensrettet plan hydroakustisk transduser. Lydsignalet kan overføres med høy kvalitet, og lyden i sendeenden er klar og stabil.

 

3. 2 Verifikasjon av frekvensjustering

Etter å ha verifisert at systemet og den tilpassede transduseren fungerer og fungerer normalt, utføres et andre eksperiment for å verifisere justerbarheten til systemets frekvens. Programmer signalgenereringsmodulen til å modifisere den for å matche 300 kHz-transduseren laget i laboratoriet. Test signaloverføringseffekten. Audiomodulasjonssignalet er vist i figur 12(a), og det nylig gjenopprettede lydsignalet er vist i figur 12(b).

Signalbølgeformen oppdaget av oscilloskopet representerer det overførte lydsignalet. I figur 12(b) er den øvre delen signalet mottatt av hydrofonen, og den nedre delen er den gjenopprettede lydsignalbølgeformen. Ved å sammenligne og analysere inn- og utgangslydsignalene til systemet, kan man se at systemet kan overføre lydsignaler med høy kvalitet, det vil si at systemet kan tilpasse seg signaler med forskjellige resonansfrekvenser innenfor et visst frekvensområde.

 

3. Resultatindeksanalyse

Først av alt, under betingelsen av høyfrekvent nøyaktig overføring av informasjon, er forplantningsavstanden til dette systemet mer enn 100 m ved 150 kHz, noe som langt overstiger den akustiske undervannskommunikasjonsavstanden på mindre enn 100 meter oppnådd av mange undervannskommunikasjonssystemer på bekostning av signaloverføringskvaliteten. For det andre, når det gjelder ytelsen til overføringsinformasjonsbåndbredden, sammenlignet med mange akustiske undervannskommunikasjonssystemer med en båndbredde på omtrent 200 Hz på markedet, kan overføringsbåndbredden til dette systemet nå 1. 71 kHz, noe som i stor grad unngår forvrengning av lydsignaler under kommunikasjon. Til slutt, når det gjelder kvaliteten på talekommunikasjon, brukes klarheten til stemmen som sendes ved den siste mottakeren som målestandard. Sammenlignet med mange sivile vanntalekommunikasjonsutstyr med stor støy og uklare signaler, er systemet testet under de samme innsjøforholdene. Lyden er klar og stabil.

 

4 Konklusjon

Denne artikkelen designer et sett med akustisk undervannskommunikasjonskrets basert på praktisk anvendelse av punkt-til-punkt-kommunikasjon og akustisk undervannskommunikasjon. Først av alt, basert på de relevante teoriene om transduserdesign og resultatene fra laboratoriet, simuleres strukturen til transduseren av ANSYS finite element simuleringsprogramvare, og metoden for skjæring og fylling utføres ved å bruke det høyytelses sensitive materialet PZT5-A som piezoelektrisk Keramisk funksjonsmaterialfase, epoksyharpiksfase 6, epoksy-harpiks 6-make1. ensrettet 1-3 type piezoelektrisk kompositt hydroakustisk plan transduser. Deretter ble den produserte transduseren brukt i kommunikasjonssystemet, og en akustisk undervannskommunikasjonskrets med stabil struktur og klar kommunikasjon ble utviklet. Denne kretsen kan realisere effektiv undervannskommunikasjon, og på grunn av utformingen av modulasjons- og demodulasjonskretsen og den justerbare frekvensen til bæresignalet, kan kretsen også matches med ultralydsonden for å realisere funksjonene til langdistansefeildeteksjon og avstandsmåling.