Proiectarea circuitului de conducere și recepție bazat pe traductor acustic subacvatic

Pornind de la nevoile de comunicații submarine militare și comunicații subacvatice civile, un plan unidirecțional a fost fabricat un traductor hidroacustic subacvatic cu o frecvență de rezonanță de 150 kHz, iar circuitele de comandă ale transmițătorului și receptorului au fost proiectate pe principiul comunicării punct la punct. Traductorul acustic subacvatic este plasat în zona apei și conectat la circuit pentru a realiza funcția de comunicare subacvatică pe distanțe lungi. Circuitul a fost testat pe o platformă experimentală auto-proiectată. Rezultatele testului arată că traductorul fabricat are un răspuns la tensiune de emisie și o sensibilitate mai mare, directivitate unică, iar circuitul de comunicare acustică subacvatică are o frecvență reglabilă, iar comunicarea este clară și stabilă. Circuitul de comunicare acustică subacvatică poate fi utilizat pentru comunicații militare și civile și este ușor de mutat și transportat și ușor de depanat. Datorită absorbției undelor electromagnetice, a undelor luminoase și a altor forme de energie de către apa de mare și a existenței unor „zone de convergență” de adâncime, undele sonore sunt în prezent singura formă de energie cunoscută care poate transmite semnale fără fir pe distanțe mari sub apă. Undele sonore cu o frecvență de vibrație mai mare de 20 kHz se numesc unde ultrasonice. În comparație cu undele sonore obișnuite, undele ultrasonice au o directivitate mai bună, o putere de penetrare mai puternică și o performanță de reflexie mai bună. Prin urmare, ele sunt utilizate pe scară largă în transmisia de informații, detectarea daunelor, testarea la distanță și în domeniul medical și al sănătății. Dar în procesul de propagare, pierderea de energie a undei sonore în canalul de apă crește odată cu creșterea frecvenței, astfel încât lățimea de bandă disponibilă a canalului de apă este îngustă, iar capacitatea de informare este mică. Prin urmare, performanța circuitului de transmisie și recepție joacă un rol vital în calitatea comunicării acustice subacvatice. În ultimul secol, compania americană Harris Acoustic Products, Franța și Regatul Unit au dezvoltat comunicatoare hidroacustice potrivite pentru comunicațiile subacvatice cu navele. Ei au folosit modularea cu o singură bandă laterală și au folosit hidrofoane de mare volum ca „fereastra” pentru transmiterea și recepția semnalului. , Pentru a obține o anumită distanță de comunicare subacvatică, dar echipamentul este complex, traductorul este mare și directivitatea nu este suficient de clară, nu este potrivită pentru uz civil; Asamblat într-un sistem de comunicație analogic bazat pe software-ul de procesare a semnalului Linux, pe simulatorul de canal se realizează comunicarea la distanță lungă, dar canalul de proiectare ideal este diferit de canalul de apă real; alții au construit un sistem de comunicații subacvatice bazat pe spectru de împrăștiere a secvenței de cartografiere combinată paralelă, folosind cip DSP ca modul de procesare a informațiilor, realizând astfel transmisia subacvatică ascunsă, de mare viteză a informațiilor între platforme. Cu toate acestea, temporizatorul 555 este folosit în mod tradițional pentru a genera o undă purtătoare cu o frecvență specifică de vibrație pentru a conduce circuitul de antrenare al traductorului, iar stabilitatea frecvenței formei de undă generată este relativ slabă; iar tehnologia de procesare a cipurilor DSP care a apărut recent are algoritmi complecși și trebuie efectuată pentru diferite ape. Modificarea complicată de calcul și compensarea nu sunt potrivite pentru promovarea pe scară largă în domeniul civil. În plus, sondele utilizate în dispozitivele transceiver de semnal din circuitul de comunicație care au fost dezvoltate nu sunt suficient de clare, puterea nu este concentrată și lățimea de bandă este relativ îngustă, ceea ce nu este propice pentru transmiterea și recepția semnalului. Cu toate acestea, majoritatea transceiverelor cu ultrasunete nu sunt potrivite pentru funcționarea canalului de apă și nu pot satisface nevoile civile și militare reale.

 

1) Bazat pe un volum mic Traductor acustic subacvatic unidirecțional , această lucrare utilizează modulația în bandă dublă și metode de demodulare coerente pentru a dezvolta un circuit de transmisie și recepție adecvat pentru comunicația subacvatică. Circuitul de comunicare acustică subacvatică are utilizarea benzii de înaltă frecvență și frecvența reglabilă, potrivit pentru 0 kHz ~ 12. Traductorul de frecvență de 5 MHz are o distanță de comunicare de până la 100 de metri. Circuitul de transmisie și de antrenare, circuitul de recepție și de antrenare și traductorul de transmisie și hidrofonul din circuit formează împreună un set de sistem de comunicații hidroacustice. Sistemul folosește transmițătorul și hidrofonul ca „fereastra” pentru schimbul de semnal, folosește STM32F103RCT6 și AD9833 ca sursă de semnal purtător și combină componentele relevante ale modemului pentru a obține în sfârșit o comunicare stabilă și clară.

 

1 Productie traductoare

 

Materialul compozit piezoelectric 1-3 se referă la un material format din coloane ceramice piezoelectrice conectate unidimensional, dispuse în paralel într-un polimer conectat tridimensional. În comparație cu materialele piezoelectrice ceramice pure 1-3 materiale compozite piezoelectrice, are efecte mai bune în detectarea daunelor și producția de traductoare de transmisie și recepție. Prin urmare, modulul transceiver cu undă acustică al acestui sistem adoptă un traductor cu ultrasunete planar format din 1-3 materiale compozite piezoelectrice dezvoltate în laborator, care este compus dintr-un element sensibil plan compozit piezoelectric 1-3, un strat impermeabil permeabil la sunet, un electrod și un material rigid compus din spumă și capac metalic de înaltă calitate. Înainte de a realiza traductorul, este necesar să utilizați software-ul de simulare cu elemente finite ANSYS pentru arhitectura modelului și calculul de simulare.

 

Simularea senzorului compozit piezoelectric 1-3

 

În software-ul de simulare cu elemente finite ANSYS, setați mai întâi tipul unității, densitatea, raportul lui Poisson și modulul Young al rășinii epoxidice și setați densitatea, matricea de rigiditate, matricea constantă dielectrică și matricea piezoelectrică a ceramicii piezoelectrice. În al doilea rând, setați structura modelului de material compozit piezoelectric 1-3: un avion cu o lungime de 100 mm, o lățime de 100 mm și o grosime de 10 mm, în care lățimea fazei polimerice este de 0,28 mm, lățimea coloanei ceramice piezoelectrice este de 1,44 mm, înălțimea este de 110 mm. În acest fel, fracția de volum a coloanei ceramice piezoelectrice PZT din materialul compozit este de 51,84%. Deoarece modelul materialului compozit 1-3 conține materiale în două faze, valoarea de calcul este mare atunci când se efectuează calculul de simulare. Pentru a reduce cantitatea de calcul, o unitate din materialul compozit piezoelectric 1-3 este selectată pentru calculul de simulare. Diagrama structurii modelului de material compozit piezoelectric 1-3 și diagrama tridimensională a coloanei ceramice piezoelectrice sunt următoarele:

Elementele de material compozit piezoelectric de tip 1-3 sunt reticulate, iar condițiile de limită de simetrie sunt adăugate la granița din jurul axei Z (lungimea) elementului și se adaugă o tensiune de 1 V pe suprafața superioară a ceramicii piezoelectrice în direcția pozitivă a axei Z, Z = 0 Adăugați o tensiune de 0 V la suprafața de analiză a frecvenței inferioare (50 ~ 2) selectați tipul de analiză de frecvență. kHz) și numărul de pași), iar apoi se rezolvă și se post-procesează, diagrama de admisință obținută este prezentată în Figura 2. Se poate observa din Figura 2 că traductorul îndeplinește cerințele de frecvență, iar componentele sensibile pot fi realizate conform parametrilor setați.

 

Senzorul compozit piezoelectric de tip 1-3 este realizat din blocuri ceramice piezoelectrice cu lungimea de 100 mm, latimea de 100 mm si grosimea de 10 mm. Tăiați în direcțiile de lungime și lățime conform modelului, apoi injectați rășină epoxidice 618. După ce ați stat timp de 24 de ore, efectuați aceeași tăiere pe verso pentru a șlefui excesul de rășină epoxidice în direcția grosimii pentru a face un tip 1-3. Material compozit piezoelectric. Utilizați alcool pentru a curăța suprafața materialului compozit și aplicați pastă de argint pentru a compensa electrodul distrus prin lustruirea rășinii epoxidice și, în final, faceți elementul sensibil 1-3 material compozit piezoelectric. Utilizați analizorul de impedanță Agilent 4294A pentru a testa componentele sensibile. Rezultatele testului arată că lățimea de bandă a senzorului din material compozit piezoelectric de tip 1-3 este 1 când frecvența de rezonanță este de 151 kHz. 71 kHz, impedanța acustică este 17. 47 Pa·s/m3, valoarea conductibilității este 104. 6 mS, coeficientul electromecanic de cuplare este 0. 68. Factorul de calitate mecanică este 88. 18. Rezultatul testului materialului sensibil este bun.

 

1.3 Fabricarea planului unidirecțional de înaltă frecvență traductor hidro-acustic subacvatic Adăugați grafit la poliuretanul a cărui componentă principală este rășina epoxidice și amestecați pentru a face stratul necesar impermeabil la sunet și permeabil și faceți matrița în funcție de dimensiunea traductorului pentru turnare și etanșare și, în final, a făcut un traductor acustic subacvatic plan unidirecțional de înaltă frecvență.

 

1. 4 Test de performanță a traductorului

Testarea performanței traductorului include în principal măsurarea răspunsului său la tensiunea de transmisie, a sensibilității de recepție și a performanței de directivitate. Măsurarea directivității unui traductor este de obicei folosită pentru a desena modelul de directivitate. În timpul măsurării, traductorul testat este rotit pentru a atinge scopul de a măsura răspunsul de trimitere al traductorului sau sensibilitatea de recepție cu unghiul azimut, iar apoi modelul direcțional al traductorului este obținut după conversie.

 

2 Proiectarea circuitului

 

Având în vedere metoda de comunicare punct la punct și rata de utilizare a energiei, acest articol adoptă modularea semnalului în bandă dublă (DSB) și demodularea coerentă. Principiul modulației este prezentat în ecuația (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Principiul demodulării este prezentat în ecuația (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Unde: uDSB este semnalul modulat; uc (t) este semnalul modulat; uΩ (t) este semnalul purtător. Funcția esențială a circuitului de modulație DSB este un multiplicator, care utilizează semnalul purtător pentru a transfera informațiile transmise de semnalul în bandă de bază. În timpul demodulării, semnalul modulat este înmulțit cu un purtător de aceeași frecvență și fază și apoi trecut printr-un filtru trece-bandă pentru a obține semnalul original. Dispozitivul de conversie a energiei necesar pentru transmiterea semnalului adoptă traductorul cu ultrasunete planar realizat în acest articol. Este prezentat principiul sistemului de circuit de transmisie și recepție.

 

2. 1 Modul de circuit

Microcomputerul STM32F103RC cu un singur cip folosește nucleul Cortex-M3, iar viteza maximă a procesorului este de 72 MHz. În comparație cu microcalculatoarele cu un singur cip modelul 51 și 52, viteza de execuție a instrucțiunilor este mai rapidă, volumul este mai mic și integrarea este ușoară. AD9833 are un consum redus de energie,

modul programabil de generare a semnalului, care poate fi programat pentru a genera unde sinusoide, pătrate și triunghiulare într-un anumit interval de frecvență. Portul FSYNC de pe acesta este portul de declanșare a nivelului de intrare, care servește ca semnal de sincronizare și activare a cadrului. Când FSYNC este scăzut, datele pot fi transferate. În plus, AD9833 are un registru de control pe 16 biți. Prin programarea registrului de control, AD9833 poate funcționa în starea cerută de utilizator. Utilizarea modelului de microcomputer STM32F103RC cu un singur cip pentru a controla modulul de generare a semnalului AD9833 produce mai puțină distorsiune sinusoidală. Circuitul este alimentat de modulul de alimentare în comutație TPS5430, care poate furniza tensiuni stabile de 5 V și 12 V, evitând distorsiunea și întârzierea transmisiei semnalului.

 

Când semnalul audio extern intră în circuitul de comandă, acesta este înmulțit cu unda sinusoidală de 150 kHz generată de modulul de generare a purtătorului în modulul multiplicator AD835 (pas de modulare în bandă laterală dublă), iar apoi filtrul trece-bandă filtrează o parte din zgomotul semnalului de ieșire al multiplicatorului. Semnalul generat este amplificat de amplificatorul de putere și apoi conectat la traductorul de transmisie, iar în final traductorul de transmisie transmite semnalul în apă. Modulația în bandă dublă poate muta semnalul în bandă de bază la frecvența purtătoare pentru a realiza multiplexarea și pentru a îmbunătăți utilizarea canalului; în al doilea rând, extinde lățimea de bandă a semnalului, îmbunătățește capacitatea anti-interferență a sistemului și îmbunătățește raportul semnal-zgomot. În acest circuit de comandă, amplificatorul de putere amplifică semnalul pentru a conduce traductorul să funcționeze. Semnalul audio extern poate fi muzica transmisă de mufa pentru căști a unui dispozitiv electronic, cum ar fi un telefon mobil, sau un semnal convertit și condus de sunet extern printr-un modul de microfon.

 

2. 3 Circuit de recepție și de conducere

După ce traductorul de transmisie transmite semnalul undei sonore către canalul de apă, este necesar un circuit de comandă de recepție corespunzător pentru a primi semnalul în canalul de apă și a restabili semnalul modulat inițial. Principiul de funcționare al circuitului de comandă de recepție conceput în acest articol. După ce circuitul de comandă receptor primește semnalul în canal, acesta este trecut la filtrul de trecere înaltă prin firul de înaltă frecvență, iar zgomotul generat de circuit și amestecat în canal este eliminat. Apoi acest semnal și unda sinusoidală de 150 kHz sunt multiplicate în modulul multiplicator AD835. Ieșirea operației multiplicatorului este transmisă filtrului trece-bandă prin cablul coaxial de înaltă frecvență, iar semnalul în intervalul de frecvență necesar este selectat (pas de demodulație coerentă). În cele din urmă, modulul amplificator de putere TDA2030A este folosit pentru a conduce modulul difuzorului, iar semnalul demodulat este redat sub formă de sunet. În acest sistem, atât circuitul de transmisie, cât și circuitul de recepție, trebuie să utilizeze modulul de stabilizare a tensiunii TPS5430 pentru a asigura funcționarea stabilă și stabilă a tensiunii fiecărui modul, iar filtrele sunt toate filtre active de ordinul 4. Undele purtătoare utilizate în procesul de modulare și demodulare sunt toate de aceeași frecvență, care este generată de modulul activ AD9833 după ce a fost programată de microcontrolerul STM32F103RC.

 

3 Verificare experimentală

3. 1 Verificarea comunicarii hidroacustice

Pentru a verifica funcționarea acestui sistem s-a efectuat un test de comunicare acustică subacvatică într-un lac cu o rază de aproximativ 100 m. Transmite traductorul transmițător și traductorul receptor

Receptoarele sunt plasate pe cele două laturi ale lacului în direcția diametrului, respectiv conectate la circuitul de antrenare emițător și la circuitul de antrenare receptor. Deoarece frecvența vocii umane este în general în intervalul 8-10 kHz, incluzând multe componente de ton, semnalul audio al unei melodii este selectat aleatoriu ca semnal de modulație. Semnalul este afișat de un osciloscop, semnalul original de modulație audio este prezentat în Figura 7(a), iar semnalul purtător de 150 kHz ieșit de AD9833 este prezentat în Figura 7(b)

Semnalul purtător și semnalul de modulație audio sunt introduse în multiplicator pentru a efectua modulația preliminară. După ce a fost măsurat de un osciloscop, semnalul de ieșire al multiplicatorului este prezentat în Figura 8.

Conform afișajului de frecvență din Figura 8, aceasta se conformează legii de modulație cu bandă laterală dublă. Semnalul de ieșire al multiplicatorului este introdus în amplificatorul de putere prin cablul coaxial, iar puterea semnalului este crescută într-un interval mai mic de distorsiune pentru a conduce traductorul să iasă semnalul. Intrarea traductorului de transmisie este afișată de osciloscop. Semnalul este prezentat în Figura 9.

Se poate observa în Figura 9 că bavurile a dispărut, adică zgomotul generat de circuit a fost filtrat. Traductorul de recepție, adică hidrofonul, primește semnalul de la canal așa cum se arată în Figura 10.

Semnalul primit de hidrofon conține semnale audio, zgomot și o parte din semnalul suprapus cauzat de efectul de cale multiplă din canal, rezultând erori și suprapuneri în unele forme de undă de semnal. După ce semnalul primit este filtrat de un filtru trece-înalt pentru a elimina zgomotul de joasă frecvență și semnalele suprapuse, acesta este demodulat cu o undă sinusoidală de 150 kHz într-un sistem compus dintr-un multiplicator și un filtru trece-bandă pentru a restabili semnalul inițial în bandă de bază, iar difuzorul este condus de modulul amplificator de putere TDA2030A. Semnalul audio original este difuzat fără distorsiuni. Semnalul audio difuzat este semnalul muzical original. Semnalul audio restabilit de circuitul de comandă receptor este prezentat în forma de undă de jos din Figura 11.

Figura 11 prezintă o comparație a celor două forme de undă. Partea superioară arată semnalul primit de hidrofon, iar partea inferioară este forma de undă a semnalului audio restaurat. Efectul de restaurare audio este bun. Formele de undă ale semnalului audio original și ale semnalului audio restaurat sunt comparate și comparate cu sunetul original și cu calitatea audio reală a sunetului. Rezultatul arată că sistemul poate conduce un traductor hidroacustic planar unidirecțional de înaltă frecvență de 150 kHz. Semnalul audio poate fi transmis cu o calitate înaltă, iar sunetul la sfârșitul difuzării este clar și stabil.

 

3. 2 Verificarea ajustării frecvenței

După verificarea faptului că sistemul și traductorul potrivit funcționează și funcționează normal, se efectuează un al doilea experiment pentru a verifica reglabilitatea frecvenței sistemului. Programați modulul de generare a semnalului pentru a-l modifica pentru a se potrivi cu traductorul de 300 kHz realizat în laborator. Testați efectul transmisiei semnalului. Semnalul de modulație audio este prezentat în Figura 12(a), iar semnalul audio nou restaurat este prezentat în Figura 12(b).

Forma de undă a semnalului detectată de osciloscop reprezintă semnalul audio transmis. În Figura 12(b), partea superioară este semnalul primit de hidrofon, iar partea inferioară este forma de undă a semnalului audio restaurat. Comparând și analizând semnalele audio de intrare și ieșire ale sistemului, se poate observa că sistemul poate transmite semnale audio de înaltă calitate, adică sistemul se poate adapta la semnale de diferite frecvențe de rezonanță într-un anumit interval de frecvență.

 

3. Analiza indicelui de performanță

În primul rând, în condițiile unei transmisii precise de înaltă frecvență a informațiilor, distanța de propagare a acestui sistem este mai mare de 100 m la 150 kHz, ceea ce depășește cu mult distanța de comunicare acustică subacvatică de mai puțin de 100 de metri realizată de multe sisteme de comunicații subacvatice în detrimentul calității transmisiei semnalului. În al doilea rând, în ceea ce privește performanța lățimii de bandă a informațiilor de transmisie, în comparație cu multe sisteme de comunicații acustice subacvatice cu o lățime de bandă de aproximativ 200 Hz de pe piață, lățimea de bandă de transmisie a acestui sistem poate ajunge la 1,71 kHz, ceea ce evită în mare măsură distorsiunea semnalelor audio în timpul comunicării. În cele din urmă, în ceea ce privește calitatea comunicației vocale, claritatea difuzării vocii de către ultimul capăt de recepție este utilizată ca standard de măsurare. În comparație cu multe echipamente civile de comunicații vocale cu apă cu zgomot mare și semnale neclare, sistemul este testat în aceleași condiții de lac. Sunetul este clar și stabil.

 

4 Concluzie

Acest articol proiectează un set de circuit de comunicare acustică subacvatică bazat pe aplicarea practică a comunicării punct la punct și a comunicării acustice subacvatice. În primul rând, pe baza teoriilor relevante de proiectare a traductorului și a rezultatelor laboratorului, structura traductorului este simulată de software-ul de simulare cu elemente finite ANSYS, iar metoda de tăiere și umplere este realizată prin utilizarea materialului sensibil de înaltă performanță PZT5-A ca fază de material funcțional ceramic piezoelectric, rășina epoxidica 618 fază nedirecțională de polimer. Traductor planar hidroacustic compozit piezoelectric tip 1-3. Apoi, traductorul fabricat a fost utilizat în sistemul de comunicație și a fost dezvoltat un circuit de comunicare acustică subacvatică cu structură stabilă și comunicare clară. Acest circuit poate realiza o comunicare subacvatică eficientă și, datorită designului circuitului de modulare și demodulare și a frecvenței reglabile a semnalului purtător, circuitul poate fi, de asemenea, asortat cu sonda ultrasonică pentru a realiza funcțiile de detectare a defectelor la distanță lungă și de măsurare a distanței.