Proiectarea, dezvoltarea și aplicarea traductorului acustic subacvatic combinat de bandă largă

introducere

 

Oceanul nu este doar o comoară importantă a resurselor piscicole și minerale, ci și o poziție importantă pentru țări pentru a menține securitatea națională și luptele militare. Prin urmare, tehnologia acustică subacvatică a devenit un mijloc important pentru explorarea și dezvoltarea actuală a resurselor marine, comunicarea subacvatică și navigarea navelor, detectarea și recunoașterea țintelor subacvatice, precum și monitorizarea mediului marin și prognozarea dezastrelor naturale. The traductorul acustic subacvatic este purtătorul de emisie și recepție a undelor sonore în tehnologia acustică subacvatică, iar nivelul său tehnic afectează direct sau chiar determină efectul final de realizare al tehnologiei acustice subacvatice. Detectarea activă a sonarului și explorarea resurselor marine necesită traductoare cu frecvență joasă, putere mare și dimensiuni reduse. Simularea zgomotului și calibrarea sonarului necesită traductoare acustice subacvatice cu caracteristici de frecvență ultra-joasă și bandă ultra-largă. În domeniul comunicațiilor acustice subacvatice, traductoarele acustice subacvatice trebuie să aibă caracteristicile de înaltă eficiență, bandă ultra-largă, sensibilitate ridicată și bandă plată. În general, traductoarele acustice subacvatice se dezvoltă spre frecvență joasă, bandă largă, putere mare, dimensiuni mici și apă adâncă. Traductorul de apă adâncă adoptă metoda de spălare internă pentru a funcționa la o adâncime de până la 11.000 m și utilizează cuplarea cavității interioare a uleiului și a pieselor structurale pentru a forma vibrații multi-mode, care lărgește banda de frecvență a traductorului. O cavitate multi-rezonantă este formată prin revărsarea tuburilor rotunde de diferite dimensiuni, iar frecvența de lucru poate fi ajustată prin modificarea dimensiunii tuburilor rotunde pentru a obține un traductor mai larg.

 

Lățimea de bandă a gamei de frecvență este de 200Hz~2kHz. Diametrul traductorul hidrofon subacvatic este de 250 mm și lungimea este de 500 mm. Banda de acoperire este de 7 ~ 15 kHz, nivelul sursei de sunet este de 200 dB, sensibilitatea de recepție este de -176 dB și adâncimea de lucru sub apă este de 11000 m. Traductorul recent dezvoltat are o dimensiune de. Diametrul este de 240 mm, lungimea este de 420 mm, banda de frecvență de acoperire este de 1,8 ~ 8,0 kHz, răspunsul de transmisie este de 144 dB și fluctuația în bandă este mai mică de 6 dB. Pe scurt, traductoarele acustice subacvatice de peste mări au acoperit întreaga bandă de frecvență de lucru, acoperind chiar și întreaga zonă de apă și au format o anumită scară în inginerie, serializare și generalizare, reprezentând nivelul avansat al industriei. Institutele interne de cercetare și alte unități conexe au efectuat o mulțime de cercetări și experimente și au obținut anumite rezultate. Cu toate acestea, există încă un anumit decalaj în tehnologia cheie și tehnologia de procesare a traductoarelor acustice subacvatice în comparație cu țările străine, în special în Cerințele tot mai mari pentru bandă ultra-largă, dimensiuni mici și performanță ridicată în detectarea acustică subacvatică necesită cercetări aprofundate. Cerințe de dezvoltare .Odată cu dezvoltarea tehnologiei de reducere a zgomotului a navelor din diferite țări, nivelul de zgomot al navelor și al țintelor subacvatice au fost reduse treptat. Armele și echipamentele subacvatice, cum ar fi torpilele, folosesc în mare parte traductoare acustice subacvatice de bandă largă pentru a extinde raza de detectare și pentru a îmbunătăți acustica subacvatică complexă. Capacitatea de detectare și acuratețea loviturilor sub fundalul de reverberație sporesc capacitatea de recunoaștere a țintei subacvatice. În plus, ca răspuns la diferite marine, agenții de informații, entități economice și chiar organizații teroriste internaționale, în desfășurarea de oameni-broaște, vehicule submarine autonome (AUV) și microsubmarine pentru recunoaștere, sabotaj, explozii și operațiuni de așezare a minelor sunt adesea efectuate în operațiuni la scară mică. Submersibilele fără pilot controlate de la distanță (ROV) și alte vehicule subacvatice sunt echipate cu diverse echipamente de detectare pentru protecția siguranței și sunt propuse cerințe specifice pentru principalii indicatori tehnici ai sonarului lor. În această lucrare, care vizează cerințele de detecție acustică a bulelor de trezire ale navelor de suprafață, este proiectat și dezvoltat un model cu funcții de recepție și transmisie în bandă ultra-largă de 3 ~ 100 kHz, care pot efectua măsurarea acustică subacvatică în timp real a bulelor de trezire ale navelor la un unghi mare de deschidere și care necesită fiecare unghi de deschidere mare de recepție și de trimitere independentă. Și controlabilă, structura generală trebuie să fie compactă, dimensiunea fizică este mică și este ușor de instalat și utilizat pe un ROM mic. Având în vedere cerințele reale și condițiile reale de lucru, principalii indicatori tehnici ai traductorului descriși în acest articol sunt următorii: 1) Frecvența de transmisie este de 3~100kHz, iar frecvența de recepție este de 1~100kHz. 2) Nivelul sursei de sunet de emisie ≥ 189dB. 3) Sensibilitate de recepție ≥ -180dB. 4) Fluctuație în bandă ≤ 6dB. 5) Lățimea fasciculului (orizontal) ≥ 90° (-3dB). 6) Lățimea fasciculului (vertical) ≥ 70° (-3dB). 7) Adâncimea apei de lucru ≥ 500m. 8) Dimensiuni ≤ 350mm × 150mm × 250mm. 9) Masa ≤ 10kg. Printre acestea, ROV este o structură mică de detectare, iar capacitatea sa de transport este limitată, astfel încât traductorul trebuie să fie cât mai mic posibil, ușor și ușor de implementat sub premisa îndeplinirii indicatorilor de performanță.

 

2 Proiectarea și dezvoltarea traductorului

 

2.1 Proiectarea traductorului și analiza prin simulare

The traductorul cilindric subacvatic aparține unei structuri separate de recepție și transmitere. Capătul de transmisie este realizat prin utilizarea a trei traductoare de transmisie cu structură de tijă compozită, iar benzile de frecvență corespunzătoare sunt 3 ～ 18 kHz, 18 ～ 45 kHz, 45 ～ 100 kHz; capătul de recepție este realizat prin utilizarea a 2 hidrofoane piezoelectrice din serie cu inel ceramic, iar benzile de frecvență sunt, respectiv, 1-40kHz, 40-100kHz. Baza traductorului de transmisie și recepție menționată mai sus este ambalată în întregime, iar în interior este proiectată un deflector anti-acustic. După ce pachetul este integrat, masa totală este de aproximativ 9 kg. Forma generală a traductorului este un cuboid neregulat. Dimensiunea de bază este de aproximativ 310 mm × 150 mm × 220 mm. Aspectul este prezentat în Figura 1. Cablul principal poate fi conectat la un echipament electronic sonar extern sub formă de conectori.

 

Vizând principalele cerințe tehnice ale traductorului acustic subacvatic din acest articol, combinate cu schema de proiectare de mai sus, se efectuează o analiză de simulare a performanței sale de transmisie și recepție. Datorită structurii complexe a traductorului proiectat în această lucrare și a acoperirii benzii largi de frecvență, metodele de analiză teoretică nu sunt potrivite pentru calcul și simulare. După cum știm cu toții, metoda elementelor finite este o metodă de simulare numerică utilizată pe scară largă în practica actuală a ingineriei. Utilizați software-ul ANSYS pentru a simula o zonă de apă cu câmp liber și pentru a stabili un model simplificat al traductorului. Selectați un punct din unitatea de câmp îndepărtat direct în fața capacului frontal pentru a calcula presiunea sonoră, iar apoi răspunsul la tensiunea de transmisie al traductorului poate fi convertit. În unitatea de câmp îndepărtat, selectați presiunea sonoră în fiecare direcție la o anumită distanță de-a lungul centrului traductorului pentru a calcula unghiul deschis al directivității de emisie a traductorului. Deoarece traductorul cu tijă compozită are simetrie axială, este selectat un model cu element finit al traductorului axisimetric 2D pentru analiza cu elemente finite. Când se utilizează calculul ANSYS, este necesar să se ia în considerare influența apei asupra traductorului. De obicei, efectul echivalent este un polo pe apă, iar apoi sarcina este aplicată pentru a calcula soluția. Modelul traductorului în apă este prezentat în figurile 2 și 3..

 

Se poate observa din figurile 2 și 3 că traductoarele de transmisie sunt proiectate cu bandă largă de vârf cu rezonanță duală. Frecvențele de rezonanță ale unității de 3~18kHz a traductorului de transmisie sunt 5kHz, 14kHz, iar frecvențele de rezonanță ale unității de 18~45kHz sunt 20kHz, 40kHz, iar frecvențele de rezonanță de 45~100kHz, 55kHz. Unitatea de 1-40 kHz a hidrofonului receptor folosește un inel piezoelectric, iar frecvența de rezonanță cu un singur inel este mai mare de 40 kHz pentru a asigura o bandă de frecvență plată. Structura internă cu două serii și două paralele îmbunătățește sensibilitatea și stabilitatea; unitatea de 40-100 kHz a hidrofonului receptor folosește material compozit piezoelectric, frecvența de rezonanță este mai mare de 100 kHz pentru a asigura planeitatea în bandă. În această lucrare, ecuația cu elemente finite este utilizată ca MU ¨ + CU · +KU = F (1) unde: M este matricea de masă; C este matricea de amortizare; K este matricea de rigiditate; U este vectorul deplasării nodale; F este vectorul de sarcină. Nivelul de răspuns la tensiunea de emisie TVR este TVR = 20lg p RV + 120 (2) unde: p este presiunea sonoră a nodului; R este distanța de la nod până la centrul echivalent al sursei de sunet; V este tensiunea aplicată. Extrageți presiunea sonoră p a nodului de pe axa acustică în ANSYS și calculați curba de răspuns la emisie a traductorului. În designul propriu-zis, partea de transmisie a traductorului acustic subacvatic este compusă din trei tipuri de traductoare de transmisie cu tijă compozită, care realizează emisie direcțională în bandă largă și suprimă radiația din spate în același timp. Traductorul de transmisie acoperă o gamă largă de frecvențe și este utilizat în principal pentru măsurarea acustică subacvatică. Trebuie să aibă o planeitate bună în bandă pentru a asigura acuratețea măsurătorilor acustice subacvatice. În inginerie, metode precum optimizarea dimensiunii capului radiant al traductorului sau controlul optimizării fazei pentru a reduce fluctuațiile în bandă și rezistența în serie pe stiva ceramică piezoelectrică înainte și după traductorul de emisie cu rezonanță dublă (sau „excitație dublă”) sunt adesea folosite. , Pentru a reduce și mai mult fluctuația răspunsului tensiunii de transmisie a traductorului în banda de frecvență de lucru. Această lucrare ia în considerare dimensiunea și calitatea traductorului montat pe ROM-ul mic, precum și structura generală a instalării și adoptă în principal metoda din literatură pentru a suprima fluctuația în bandă a traductorului de transmisie, adică metoda de ajustare a rezistenței rezistenței de potrivire. Presupunând că rezistența în serie a stivelor ceramice piezoelectrice din față și din spate din interiorul traductorului de transmisie este R1 și respectiv R2, valorile rezistenței lui R1 și R2 sunt ajustate pentru a controla planeitatea traductorului de transmisie în bandă. Prin analiza cu elemente finite, este simulat răspunsul de emisie al traductorului de transmisie sub diferite valori de rezistență. Luând ca exemplu traductorul de transmisie cu rezonanță dublă de 18 ~ 45 kHz proiectat, analiza de simulare arată că răspunsul de transmisie variază cu curba valorii rezistenței, așa cum se arată în Figura 4. Se poate vedea din figură că reglarea R1 și R2 poate controla practic planeitatea în banda de frecvență a traductorului de transmisie. Prin optimizarea rezistențelor R1 și R2, se poate concluziona că atunci când R1=940 Ω , R2=330 Ω , are o planeitate în bandă mai bună. (Afișat prin linia punctată în Figura 4), iar răspunsul general al emisiilor în bandă nu se schimbă prea mult,

 

Poate îndeplini cerințele de proiectare, combinate cu dimensiunea fizică reală și potrivirea impedanței în bandă largă, simularea cuprinzătoare poate obține rezultate de simulare a răspunsului la tensiune a transmițătorului de 3 ~ 18 kHz, 18 ~ 45 kHz și 45 ~ 100 kHz, așa cum se arată în Figura 5-7. Se poate observa din Fig. 5-7 că răspunsul la tensiunea transmițătorului al traductorului nu este mai mic de 140 dB în banda de frecvență, ceea ce îndeplinește cerințele indicatorilor tehnici de intrare de proiectare și poate oferi un nivel mai mare al sursei de sunet pentru detectarea acustică subacvatică pe distanțe lungi.

Partea de recepție a traductorului hidroacustic este realizată prin combinarea a două seturi de rețele de hidrofoane, fiecare dintre acestea adoptând o conexiune în serie și paralelă de inele ceramice piezoelectrice pentru a obține recepția direcțională. Printre acestea, hidrofonul în bandă de frecvență 1-40kHz este realizat sub forma a două inele ceramice piezoelectrice conectate în serie. Sensibilitatea unui singur hidrofon nu este mai mică de -193dB, iar sensibilitatea hidrofonului după conectarea în serie nu este mai mică de -178dB. Rezultatele analizei de simulare a sensibilității sunt prezentate în Figura 8. Hidrofonul nu are directivitate orizontală (se poate aplica directivitate reglabilă cu deflector), iar directivitate verticală de 3 kHz este de aproximativ 130 ° . Rezultatele simulării sunt prezentate în Figura 9. Directivitatea verticală de 40 kHz este de aproximativ 73 ° , iar rezultatele simulării sunt prezentate în Figura 

 

 

11. Partea de recepție a hidrofonului în banda de frecvență de 40 ~ 100 kHz adoptă o structură de serie de inele ceramice piezoelectrice. Frecvența de lucru poate îndeplini utilizarea de 40 ~ 100 kHz, dar sensibilitatea este scăzută. După conectarea în serie, sensibilitatea hidrofonului nu este mai mică de -180dB. Rezultatele simulării sensibilității sunt după cum se arată în Figura 11. Nivelul hidrofonului nu are directivitate (poate fi aplicat un deflector pentru a regla directivitatea), iar directivitatea verticală la 100 kHz este de aproximativ 77 ° . Rezultatele simulării sunt prezentate în Figura 12

Conform analizei de simulare bazată pe metoda elementelor finite, traductorul combinat proiectat în această lucrare poate îndeplini cerințele de intrare de proiectare în ceea ce privește transmiterea și recepția, iar principalii indicatori tehnici sunt satisfăcuți.

 

 2.2 Dezvoltarea traductorului

Banda largă combinată traductorul acustic subacvatic sferic este instalat pe un mic ROM pentru utilizare. Pe baza satisfacerii nevoilor de detecție acustică în bandă largă, se concentrează pe un design de dimensiuni mici și greutate redusă. În această lucrare, combinată cu proiectarea generală a structurii unui ROM mic, traductorul dezvoltat final este prezentat în Figura 13. Structura de proiectare specifică este prezentată în Figura 14. Traductorul acustic subacvatic combinat în bandă largă proiectat și dezvoltat în această lucrare acoperă intervalul de frecvență de transmisie de 3~100kHz, banda de frecvență de recepție de 1~100kHz (masa totală a obiectului este de 9 kg. aer, inclusiv suportul și cablul de conectare), dimensiunea este de 328,5 mm × 140 mm × 240 mm, care este mai mică decât cerințele de dimensiune și calitate din intrarea de proiectare, reducând cerințele privind capacitatea de transport a ROM. Traductorul este adaptat și instalat pe corpul ROM, iar obiectul real după instalare este prezentat în Figura 15. Rezultatele analizei simulării pot fi utilizate ca intrare de referință de proiectare, dar în procesul de dezvoltare și depanare reală ulterioară, acesta trebuie ajustat în funcție de situația reală de măsurare pentru a îndeplini cerințele reale de utilizare.

 

3 Test experimental

Partea de transmisie a traductorului acustic subacvatic combinat de bandă largă adoptă 3 unități verticale pentru a forma o bandă de frecvență de lucru care acoperă 3 ~ 100 kHz, iar partea de recepție adoptă 2 unități independente pentru a forma o bandă de frecvență de lucru care acoperă 1 ~ 100 kHz. Dispunerea generală a transmisiei la ambele capete și a recepției în mijloc este adoptată pentru a asigura unghiul de deschidere al traductorului. În interiorul traductorului este proiectat un deflector antiacustic pentru a reduce reflexia internă și suprapunerea semnalului acustic. În același timp, în partea de recepție este adoptat un mecanism de sprijin reglabil, iar înălțimea traductorului de recepție este ajustată limitat în funcție de situația reală de testare pentru a extinde și mai mult unghiul de deschidere a recepției pentru a evita ocluzia și reflectarea carcasei traductorului și a corpului ROV. După finalizarea dezvoltării, pentru a obține în continuare performanța reală de lucru a traductorului, care este diferită de metoda de testare a transceiver-ului independent utilizată de obicei în laborator, aici se utilizează testul global al indicelui de performanță acustică a traductorului. Adică, după ce întregul este instalat pe ROV, testul rezervorului traductorului este efectuat în simularea condițiilor reale de lucru pentru a confirma în continuare că traductorul este instalat pe ROV și este afectat de structura ROV, astfel încât să se obțină starea reală de funcționare a traductorului. Parametri reali de performanță. Un test cuprinzător a fost efectuat într-un bazin anechoic pentru a verifica realizarea indicatorilor săi de performanță. Condițiile de testare ale bazinului cu apă anecoică. temperatura ambiantă a camerei este de 25 ℃ , lungimea cablului de testare este de 3 m, adâncimea apei este de 3 m, temperatura ambientală a apei este de 20 ℃ , rezistența de izolație este de 500 M Ω , capacitatea statică este de 51.000 pF și distanța de testare este de 6,2 m. Rezultatele efective ale măsurătorilor sunt prezentate în figurile 16

 

 

ROV-ul este utilizat pentru a monta un traductor acustic subacvatic combinat în bandă largă pentru a realiza detectarea acustică subacvatică în bandă largă a bulelor de trezuri ale unei nave de suprafață și pentru a obține caracteristicile acustice relevante ale bulelor de trezi și dimensiunea fizică a trezului. În testul specific lacului, nava de suprafață a fost folosită pentru a face navigație directă de mare viteză pe suprafața apei. Nava avea 7,5 m lungime, 3 m lățime și un pescaj de 0,35 m. Elicea motorului extern era la 0,8m sub apă. Zona de apă de testare este o zonă deschisă a unui lac, adâncimea medie a zonei este de 35 m, iar viteza navei este de 10 noduri la trecerea punctului de măsurare. ROV-ul este echipat cu un traductor acustic subacvatic combinat de bandă largă în acest articol pentru măsurare continuă. În măsurătorile repetate, pentru detectare sunt utilizate diferite combinații de frecvență acustică și se obțin rezultatele măsurătorii ale distribuției bulelor de trezire, așa cum se arată în figura

 

 

Din figura 18 se poate observa că măsurarea efectivă a mărimii bulei de mers a navei este concentrată în densitatea mare de 10-20 μm . Rezultatul măsurării este în concordanță cu cea mai mare densitate a numărului de bule în urma dată de literatură cu o rază de 10-20 μ m, ceea ce demonstrează că traductorul .Dispozitivul îndeplinește cerințele de testare în mediul real de lucru. În același timp, traductorul este utilizat pentru a măsura continuu stratul de bule de trezi format după navigarea navei de suprafață și, în funcție de informațiile obținute despre intensitatea țintei acustice ale bulei de trezire, combinate cu mediul acustic subacvatic actual (cum ar fi viteza sunetului, adâncimea apei etc.) și date anterioare (cum ar fi sensibilitatea traductorului, câștigul de emisie, nivelul de procesare a sunetului, algoritmul de procesare estimat, etc.) și a obținut curba de rezistență a bulei cu adâncime și timp, așa cum se arată în Figura 19. Se poate vedea din Figura 19 că durata bulei de trezire este de aproximativ 173 s, iar grosimea reală de măsurare a bulei de trezire medie este de 1,46 m, ceea ce este practic în concordanță cu formula empirică dată de formula convențională de calcul a trezirii. În rezumat, prin testul de măsurare globală în bazinul anechoic, rezultatele măsurătorilor arată că performanța reală a traductorului este practic în concordanță cu rezultatele simulării. Este instalat pe platforma ROV și verificat prin testul propriu-zis de navigație pe lac. Rezultatele testului arată că traductorul acoperă o bandă largă de frecvență, are o structură mică, iar rezultatele măsurătorilor sunt practic în concordanță cu formulele empirice. Datele de măsurare sunt credibile și pot îndeplini cerințele bulelor de trezire a navei de suprafață.

 

 4 Concluzie

 

 Această lucrare propune o metodă combinată de proiectare a traductorului integrat, cu o bandă de frecvență de operare în bandă largă de joasă frecvență până la înaltă frecvență, care se caracterizează prin aceea că capătul de transmisie poate acoperi 3~100kHz, capătul de recepție acoperă 1~100kHz și unghiul de deschidere nu este mai mic de 70 ° ; Adoptarea unui layout separat al transceiverului, transmiterea la ambele capete, recepția concentrată în centru, designul structurii deflectorului acustic intern; componentele interne ale traductorului sunt integrate și ieșite printr-un conector etanș, reducând complexitatea conexiunilor externe; Prin structura de sprijin centrală a traductorului, centrul de greutate general al traductorului poate fi ajustat, ceea ce este convenabil pentru adaptarea și instalarea vehiculelor subacvatice mici, cum ar fi ROV; Dispunerea deschisă a traductorului, portanta mecanică prin suportul metalic, reduce întregul traductor Calitatea și dimensiunea dispozitivului îmbunătățesc potrivirea. Acest traductor are avantajele benzii largi de frecvență de lucru, unghiul de deschidere mai mare și greutatea mai ușoară sub restricția dimensiunilor mici. A fost aplicat cu succes unui ROM mic, ceea ce rezolvă problema testării acustice subacvatice cu bandă ultra-largă pe o platformă ROM mică. Are valoare militară și civilă mare.