Projekt obwodu sterującego i odbiorczego w oparciu o podwodny przetwornik akustyczny

Wychodząc od potrzeb wojskowej łączności podwodnej i cywilnej łączności podwodnej, planar jednokierunkowy Wykonano podwodny przetwornik hydroakustyczny o częstotliwości rezonansowej 150 kHz, a obwody sterujące nadajnika i odbiornika przetwornika zaprojektowano w oparciu o zasadę komunikacji punkt-punkt. Podwodny przetwornik akustyczny jest umieszczany w obszarze wodnym i podłączany do obwodu w celu realizacji funkcji komunikacji podwodnej na duże odległości. Układ przetestowano na samodzielnie zaprojektowanej platformie eksperymentalnej. Wyniki testów pokazują, że wyprodukowany przetwornik ma wyższą odpowiedź napięciową emisji i czułość, pojedynczą kierunkowość, a podwodny obwód komunikacji akustycznej ma regulowaną częstotliwość, a komunikacja jest wyraźna i stabilna. Podwodny obwód komunikacji akustycznej może być używany do komunikacji wojskowej i cywilnej, jest łatwy do przenoszenia i przenoszenia oraz łatwy do debugowania. Ze względu na absorpcję fal elektromagnetycznych, fal świetlnych i innych form energii przez wodę morską oraz istnienie głębinowych „stref konwergencji”, fale dźwiękowe są obecnie jedyną znaną formą energii, która może bezprzewodowo przesyłać sygnały na duże odległości pod wodą. Fale dźwiękowe o częstotliwości drgań powyżej 20 kHz nazywane są falami ultradźwiękowymi. W porównaniu ze zwykłymi falami dźwiękowymi fale ultradźwiękowe mają lepszą kierunkowość, większą siłę penetracji i lepszą skuteczność odbicia. Dlatego są szeroko stosowane w transmisji informacji, wykrywaniu uszkodzeń, testowaniu odległości oraz w medycynie i zdrowiu. Jednak w procesie propagacji straty energii fali dźwiękowej w kanale wodnym rosną wraz ze wzrostem częstotliwości, tak że dostępna szerokość pasma kanału wodnego jest wąska, a pojemność informacyjna mała. Dlatego też wydajność nadawczo-odbiorczego obwodu sterującego odgrywa kluczową rolę w jakości podwodnej komunikacji akustycznej. W ubiegłym stuleciu amerykańska firma Harris Acoustic Products Company, Francja i Wielka Brytania opracowały komunikatory hydroakustyczne odpowiednie do komunikacji podwodnej na statkach. Zastosowali modulację jednostronną i hydrofony o dużej głośności jako „okno” do transmisji i odbioru sygnału. , Aby osiągnąć pewną odległość komunikacji podwodnej, ale sprzęt jest złożony, przetwornik jest duży, a kierunkowość nie jest wystarczająco ostra, nie nadaje się do użytku cywilnego; Połączony w analogowy system komunikacyjny oparty na oprogramowaniu do przetwarzania sygnału Linux, na symulatorze kanału. Realizowana jest komunikacja na duże odległości, ale idealny projekt kanału różni się od rzeczywistego kanału wodnego; inni zbudowali system komunikacji podwodnej oparty na widmie rozproszonym połączonej sekwencji mapowania, wykorzystując chip DSP jako moduł przetwarzania informacji, realizując w ten sposób podwodną ukrytą, szybką transmisję informacji pomiędzy platformami. Jednakże timer 555 jest tradycyjnie używany do generowania fali nośnej o określonej częstotliwości wibracji do napędzania obwodu sterującego przetwornika, a stabilność częstotliwości generowanego kształtu fali jest stosunkowo słaba; a niedawno pojawiająca się technologia przetwarzania chipów DSP ma złożone algorytmy i musi być przeprowadzana dla różnych wód. Skomplikowana modyfikacja obliczeń i rekompensata nie nadają się do promocji na dużą skalę w środowisku cywilnym. Ponadto sondy stosowane w opracowanych urządzeniach nadawczo-odbiorczych sygnału obwodu komunikacyjnego nie są wystarczająco ostre, moc nie jest skoncentrowana, a szerokość pasma jest stosunkowo wąska, co nie sprzyja transmisji i odbiorowi sygnału. Jednakże większość nadajników-odbiorników ultradźwiękowych nie nadaje się do pracy w kanałach wodnych i nie może zaspokoić rzeczywistych potrzeb cywilnych i wojskowych.

 

1) W oparciu o małą objętość jednokierunkowy podwodny przetwornik akustyczny , w tym artykule wykorzystano metody modulacji dwupasmowej i spójnej demodulacji w celu opracowania obwodu sterującego nadawczo-odbiorczego odpowiedniego do komunikacji podwodnej. Podwodny obwód komunikacji akustycznej wykorzystuje pasmo wysokiej częstotliwości i ma regulowaną częstotliwość, odpowiednią dla 0 kHz ~ 12. Przetwornik o zakresie częstotliwości 5 MHz zapewnia odległość komunikacyjną do 100 metrów. Obwód nadawczo-sterujący, obwód odbiorczy i sterujący oraz przetwornik nadawczy i hydrofon w obwodzie tworzą razem zestaw hydroakustycznego systemu komunikacji. System wykorzystuje nadajnik i hydrofon jako „okno” do wymiany sygnału, wykorzystuje STM32F103RCT6 i AD9833 jako źródło sygnału nośnego oraz łączy odpowiednie komponenty modemu, aby ostatecznie osiągnąć stabilną i wyraźną komunikację.

 

1 Produkcja przetworników

 

Piezoelektryczny materiał kompozytowy 1-3 odnosi się do materiału utworzonego przez jednowymiarowo połączone piezoelektryczne kolumny ceramiczne ułożone równolegle w trójwymiarowym połączonym polimerze. W porównaniu z czystymi ceramicznymi materiałami piezoelektrycznymi 1-3 piezoelektrycznych materiałów kompozytowych, ma lepsze efekty w wykrywaniu uszkodzeń i produkcji przetworników nadawczych i odbiorczych. Dlatego moduł nadawczo-odbiorczy fal akustycznych tego systemu wykorzystuje planarny przetwornik ultradźwiękowy wykonany z 1-3 piezoelektrycznych materiałów kompozytowych opracowanych w laboratorium, który składa się z 1-3 piezoelektrycznego kompozytowego płaskiego wrażliwego elementu, wodoodpornej warstwy przepuszczającej dźwięk, przewodu elektrody i sztywnej zbudowanej z wysokiej jakości pianki i metalowej osłony. Przed wykonaniem przetwornika konieczne jest skorzystanie z oprogramowania do symulacji elementów skończonych ANSYS w celu architektury modelu i obliczeń symulacyjnych.

 

Symulacja 1-3 piezoelektrycznego czujnika kompozytowego

 

W oprogramowaniu do symulacji elementów skończonych ANSYS należy najpierw ustawić typ jednostki, gęstość, współczynnik Poissona i moduł Younga żywicy epoksydowej, a następnie ustawić macierz gęstości, sztywności, matrycę stałej dielektrycznej i matrycę piezoelektryczną ceramiki piezoelektrycznej. Po drugie, wyznacz strukturę modelu piezoelektrycznego materiału kompozytowego 1-3: płaszczyznę o długości 100 mm, szerokości 100 mm i grubości 10 mm, w której szerokość fazy polimerowej wynosi 0,28 mm, szerokość piezoelektrycznej kolumny ceramicznej wynosi 1,44 mm, a wysokość 10 mm. W ten sposób udział objętościowy małej kolumny ceramicznej piezoelektrycznej PZT w materiale kompozytowym wynosi 51,84%. Ponieważ model materiału kompozytowego 1-3 zawiera materiały dwufazowe, wielkość obliczeń przy wykonywaniu obliczeń symulacyjnych jest duża. Aby zmniejszyć wielkość obliczeń, do obliczeń symulacyjnych wybiera się jedną jednostkę piezoelektrycznego materiału kompozytowego 1-3. Schemat struktury modelu piezoelektrycznego materiału kompozytowego 1-3 i trójwymiarowy schemat piezoelektrycznej kolumny ceramicznej są następujące:

Elementy piezoelektrycznego materiału kompozytowego typu 1-3 są zazębiane, do granicy wokół osi Z (długości) elementu dodawane są warunki brzegowe symetrii, a na górną powierzchnię ceramiki piezoelektrycznej w kierunku dodatnim osi Z, Z = 0, dodaje się napięcie 1 V, Z = 0. Do dolnej powierzchni dodaje się napięcie 0 V. Ustaw typ analizy częstotliwości oraz wybierz zakres analizy częstotliwości (50 ~ 250 kHz) i liczbę kroków), a następnie rozwiąż i przeprowadź uzyskane wyniki wykres impedancji pokazano na rysunku 2. Z rysunku 2 widać, że przetwornik spełnia wymagania częstotliwościowe, a czułe elementy można wykonać według zadanych parametrów.

 

Piezoelektryczny czujnik kompozytowy typu 1-3 wykonany jest z piezoelektrycznych bloków ceramicznych o długości 100 mm, szerokości 100 mm i grubości 10 mm. Wytnij wzdłuż i szerokość zgodnie z projektem modelu, a następnie wstrzyknij żywicę epoksydową 618. Po odstawieniu na 24 godziny wykonaj to samo cięcie na odwrotnej stronie, aby wypolerować nadmiar żywicy epoksydowej w kierunku grubości, aby uzyskać typ 1-3. Piezoelektryczny materiał kompozytowy. Użyj alkoholu do oczyszczenia powierzchni materiału kompozytowego i nałóż srebrną pastę, aby zrekompensować uszkodzenie elektrody przez polerowanie żywicy epoksydowej, a na koniec wykonaj element wrażliwy na 1-3 piezoelektryczny materiał kompozytowy. Aby przetestować wrażliwe komponenty, użyj analizatora impedancji Agilent 4294A. Wyniki badań pokazują, że szerokość pasma piezoelektrycznego czujnika materiału kompozytowego typu 1-3 wynosi 1 przy częstotliwości rezonansowej 151 kHz. 71 kHz, impedancja akustyczna wynosi 17,47 Pa·s/m3, wartość przewodności wynosi 104,6 mS, współczynnik sprzężenia elektromechanicznego wynosi 0,68. Współczynnik jakości mechanicznej wynosi 88,18. Wynik testu wrażliwego materiału jest dobry.

 

1.3 Wytwarzanie jednokierunkowego planuarnego wysokiej częstotliwości podwodny przetwornik hydroakustyczny Dodaj grafit do poliuretanu, którego głównym składnikiem jest żywica epoksydowa i wymieszaj, aby uzyskać wymaganą wodoodporną warstwę przepuszczającą dźwięk, a następnie wykonaj formę zgodnie z rozmiarem przetwornika do zalewania i uszczelniania, a na koniec wykonano jednokierunkowy planarny podwodny przetwornik akustyczny o wysokiej częstotliwości.

 

1.4 Test wydajności przetwornika

Testowanie wydajności przetwornika obejmuje głównie pomiar odpowiedzi napięciowej transmisji, czułości odbioru i wydajności kierunkowości. Pomiar kierunkowości przetwornika jest zwykle używany do narysowania jego wzoru kierunkowości. Podczas pomiaru badany przetwornik obraca się w celu pomiaru odpowiedzi nadawczej przetwornika lub czułości odbiorczej wraz z kątem azymutu, a następnie po konwersji uzyskuje się charakterystykę kierunkową przetwornika

 

2 Projekt obwodu

 

Biorąc pod uwagę metodę komunikacji punkt-punkt i stopień wykorzystania mocy, w tym artykule przyjęto modulację sygnału dwupasmowego (DSB) i demodulację koherentną. Zasada modulacji jest przedstawiona w równaniu (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Zasada demodulacji jest przedstawiona w równaniu (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Gdzie: uDSB jest sygnałem zmodulowanym; uc(t) jest sygnałem modulowanym; uΩ (t) jest sygnałem nośnym. Zasadniczą funkcją obwodu modulacji DSB jest mnożnik, który wykorzystuje sygnał nośny do przesyłania informacji niesionych przez sygnał pasma podstawowego. Podczas demodulacji zmodulowany sygnał jest mnożony przez nośną o tej samej częstotliwości i fazie, a następnie przepuszczany przez filtr środkowoprzepustowy w celu uzyskania oryginalnego sygnału. Urządzenie do konwersji energii wymagane do transmisji sygnału wykorzystuje planarny przetwornik ultradźwiękowy wykonany w tym artykule. Pokazano zasadę działania nadawczo-odbiorczego układu sterującego.

 

2. 1 Moduł obwodu

Jednoukładowy mikrokomputer STM32F103RC wykorzystuje rdzeń Cortex-M3, a jego maksymalna prędkość procesora wynosi 72 MHz. W porównaniu z jednoukładowymi mikrokomputerami model 51 i 52, prędkość wykonywania instrukcji jest większa, objętość jest mniejsza, a integracja jest łatwa. AD9833 to niski pobór mocy,

programowalny moduł generowania sygnału, który można zaprogramować do generowania fal sinusoidalnych, prostokątnych i trójkątnych w określonym zakresie częstotliwości. Znajdujący się na nim port FSYNC jest portem wyzwalania poziomu wejściowego, który służy jako synchronizacja ramek i sygnał włączający. Gdy wartość FSYNC jest niska, można przesyłać dane. Dodatkowo AD9833 posiada 16-bitowy rejestr kontrolny. Programując rejestr sterujący, AD9833 może pracować w stanie wymaganym przez użytkownika. Użycie jednoukładowego mikrokomputera STM32F103RC do sterowania modułem generowania sygnału AD9833 powoduje mniejsze zniekształcenia fali sinusoidalnej. Układ zasilany jest z modułu zasilacza impulsowego TPS5430, który może zapewnić stabilne napięcia 5 V i 12 V, unikając zniekształceń i opóźnień transmisji sygnału.

 

Kiedy zewnętrzny sygnał audio dociera do obwodu przemiennika, jest on mnożony przez falę sinusoidalną o częstotliwości 150 kHz generowaną przez moduł generowania nośnej w module mnożnika AD835 (stopień modulacji dwuwstęgowej), a następnie filtr środkowoprzepustowy odfiltrowuje część szumu sygnału wyjściowego mnożnika. Wygenerowany sygnał jest wzmacniany przez wzmacniacz mocy, a następnie podłączany do przetwornika nadawczego, po czym przetwornik nadawczy przekazuje sygnał do wody. Modulacja dwupasmowa może przenieść sygnał pasma podstawowego na częstotliwość nośną, aby osiągnąć multipleksowanie i poprawić wykorzystanie kanału; po drugie, rozszerza szerokość pasma sygnału, poprawia zdolność systemu do zwalczania zakłóceń i poprawia stosunek sygnału do szumu. W tym obwodzie sterującym wzmacniacz mocy wzmacnia sygnał, aby doprowadzić przetwornik do pracy. Zewnętrznym sygnałem audio może być muzyka przesyłana przez gniazdo słuchawkowe urządzenia elektronicznego, takiego jak telefon komórkowy, lub sygnał przetworzony i przewodzony przez dźwięk zewnętrzny przez moduł mikrofonu.

 

2.3 Obwód odbiorczy i sterujący

Po tym, jak przetwornik nadawczy prześle sygnał fali dźwiękowej do kanału wodnego, wymagany jest odpowiedni obwód napędowy odbiorczy, aby odebrać sygnał w kanale wodnym i przywrócić pierwotnie zmodulowany sygnał. Zasada działania odbiorczego obwodu napędowego zaprojektowana w tym artykule. Gdy odbierający obwód napędowy odbierze sygnał w kanale, jest on przekazywany do filtra górnoprzepustowego przez przewód wysokiej częstotliwości, a szum generowany przez obwód i zmieszany w kanale jest usuwany. Następnie sygnał ten oraz sinusoida 150 kHz są mnożone w module mnożnika AD835. Sygnał wyjściowy operacji mnożnika przesyłany jest do filtra środkowoprzepustowego poprzez kabel koncentryczny wysokiej częstotliwości i wybierany jest sygnał w wymaganym zakresie częstotliwości (krok koherentnej demodulacji). Wreszcie moduł wzmacniacza mocy TDA2030A służy do napędzania modułu głośnika, a zdemodulowany sygnał jest odtwarzany w postaci audio. W tym systemie zarówno nadawczy obwód napędowy, jak i odbiorczy obwód napędowy muszą wykorzystywać moduł stabilizujący napięcie TPS5430, aby zapewnić stabilną i stabilną pracę napięcia każdego modułu, a wszystkie filtry są filtrami aktywnymi czwartego rzędu. Fale nośne wykorzystywane w procesie modulacji i demodulacji mają tę samą częstotliwość, która jest generowana przez aktywny moduł AD9833 po zaprogramowaniu przez mikrokontroler STM32F103RC.

 

3 Weryfikacja eksperymentalna

3.1 Weryfikacja komunikacji hydroakustycznej

W celu sprawdzenia działania tego systemu przeprowadzono test podwodnej komunikacji akustycznej w jeziorze o promieniu około 100 m. Przesyłaj przetwornik nadajnika i przetwornik odbiornika

Odbiorniki są umieszczone odpowiednio po obu stronach jeziora w kierunku średnicy, odpowiednio połączone z nadawczym obwodem napędowym i odbiorczym obwodem napędowym. Ponieważ częstotliwość głosu ludzkiego mieści się zazwyczaj w zakresie 8–10 kHz i obejmuje wiele składowych alikwotu, sygnał audio utworu jest losowo wybierany jako sygnał modulacji. Sygnał jest wyświetlany na oscyloskopie, oryginalny sygnał modulacji audio pokazano na rysunku 7 (a), a sygnał nośny 150 kHz wysyłany przez AD9833 pokazano na rysunku 7 (b).

Sygnał nośny i sygnał modulacji audio są wprowadzane do mnożnika w celu przeprowadzenia wstępnej modulacji. Po zmierzeniu za pomocą oscyloskopu sygnał wyjściowy mnożnika pokazano na rysunku 8.

Zgodnie ze wskazaniem częstotliwości na rysunku 8 jest ona zgodna z prawem modulacji dwuwstęgowej. Sygnał wyjściowy mnożnika jest wprowadzany do wzmacniacza mocy za pomocą kabla koncentrycznego, a moc sygnału jest zwiększana w mniejszym zakresie zniekształceń, aby zmusić przetwornik do wyprowadzenia sygnału. Wejście przetwornika nadawczego wyświetlane przez oscyloskop. Sygnał pokazano na rysunku 9.

Na rysunku 9 można zaobserwować, że zadziory zniknęły, czyli szum generowany przez obwód został odfiltrowany. Przetwornik odbiorczy, czyli hydrofon, odbiera sygnał z kanału, jak pokazano na rysunku 10.

Sygnał odbierany przez hydrofon zawiera sygnały audio, szum i część nałożonego sygnału spowodowanego efektem wielodrożności w kanale, co powoduje zakłócenia i nakładanie się niektórych przebiegów sygnału. Po przefiltrowaniu odbieranego sygnału przez filtr górnoprzepustowy w celu usunięcia szumów o niskiej częstotliwości i nałożonych na siebie sygnałów, zostaje on zdemodulowany falą sinusoidalną o częstotliwości 150 kHz w układzie składającym się z mnożnika i filtra środkowoprzepustowego w celu przywrócenia pierwotnego sygnału pasma podstawowego, a głośnik jest napędzany przez moduł wzmacniacza mocy TDA2030A. Oryginalny sygnał audio jest nadawany bez zniekształceń. Nadawany sygnał audio jest oryginalnym sygnałem muzycznym. Sygnał audio przywrócony przez obwód napędowy odbiorczy jest pokazany w dolnej części fali na rysunku 11.

Rysunek 11 przedstawia porównanie dwóch przebiegów. Górna część przedstawia sygnał odebrany przez hydrofon, a dolna część to przywrócony przebieg sygnału audio. Efekt przywracania dźwięku jest dobry. Porównuje się przebiegi pierwotnego sygnału audio i przywróconego sygnału audio z oryginalnym dźwiękiem i rzeczywistą jakością dźwięku. Wynik pokazuje, że system może sterować jednokierunkowym planarnym przetwornikiem hydroakustycznym o wysokiej częstotliwości 150 kHz. Sygnał audio może być przesyłany z wysoką jakością, a dźwięk po stronie nadawczej jest czysty i stabilny.

 

3.2 Weryfikacja regulacji częstotliwości

Po sprawdzeniu, czy system i dopasowany przetwornik działają prawidłowo, przeprowadza się drugi eksperyment w celu sprawdzenia możliwości regulacji częstotliwości systemu. Zaprogramuj moduł generowania sygnału, aby zmodyfikował go tak, aby pasował do przetwornika 300 kHz wykonanego w laboratorium. Sprawdź efekt transmisji sygnału. Sygnał modulacji audio pokazano na rysunku 12 (a), a nowo przywrócony sygnał audio pokazano na rysunku 12 (b).

Kształt fali sygnału wykryty przez oscyloskop reprezentuje przesyłany sygnał audio. Na rysunku 12(b) górna część to sygnał odebrany przez hydrofon, a dolna część to przywrócony kształt fali sygnału audio. Porównując i analizując wejściowe i wyjściowe sygnały audio systemu, można zauważyć, że system może przesyłać sygnały audio o wysokiej jakości, to znaczy system może dostosowywać się do sygnałów o różnych częstotliwościach rezonansowych w określonym zakresie częstotliwości.

 

3. Analiza wskaźników wydajności

Po pierwsze, pod warunkiem dokładnego przesyłania informacji o wysokiej częstotliwości, odległość propagacji tego systemu wynosi ponad 100 m przy 150 kHz, co znacznie przekracza podwodną odległość komunikacji akustycznej wynoszącą mniej niż 100 metrów, osiąganą przez wiele podwodnych systemów komunikacji kosztem jakości transmisji sygnału. Po drugie, jeśli chodzi o wydajność pasma transmisji informacji, w porównaniu z wieloma dostępnymi na rynku podwodnymi systemami komunikacji akustycznej o szerokości pasma około 200 Hz, szerokość pasma transmisji tego systemu może sięgać 1,71 kHz, co w dużej mierze pozwala uniknąć zniekształceń sygnałów audio podczas komunikacji. Wreszcie, jeśli chodzi o jakość komunikacji głosowej, za standard pomiaru przyjmuje się klarowność głosu nadawanego przez ostatni koniec odbiorczy. W porównaniu z wieloma urządzeniami do komunikacji głosowej w wodzie cywilnej charakteryzującymi się dużym szumem i niejasnymi sygnałami, system testowano w tych samych warunkach na jeziorze. Dźwięk jest czysty i stabilny.

 

4 Wniosek

W artykule zaprojektowano zestaw podwodnego obwodu komunikacji akustycznej w oparciu o praktyczne zastosowanie komunikacji punkt-punkt i podwodnej komunikacji akustycznej. Przede wszystkim, w oparciu o odpowiednie teorie konstrukcji przetwornika i wyniki badań laboratoryjnych, struktura przetwornika jest symulowana za pomocą oprogramowania do symulacji elementów skończonych ANSYS, a metoda cięcia i wypełniania jest wykonywana przy użyciu wysokowydajnego materiału wrażliwego PZT5-A jako fazy funkcjonalnego materiału piezoelektrycznego Ceramic, żywica epoksydowa 618 jest fazą polimerową, wypełniającą szczelinę kolumny piezoelektrycznej, tworząc jednokierunkowy kompozyt piezoelektryczny typu 1-3 hydroakustyczny planarny przetwornik. Następnie wyprodukowany przetwornik wykorzystano w systemie łączności i opracowano podwodny obwód komunikacji akustycznej o stabilnej strukturze i wyraźnej komunikacji. Obwód ten może realizować efektywną komunikację podwodną, ​​a ze względu na konstrukcję obwodu modulacji i demodulacji oraz regulowaną częstotliwość sygnału nośnego, obwód można również dopasować do sondy ultradźwiękowej, aby realizować funkcje wykrywania defektów na duże odległości i pomiaru odległości.