Design, utveckling och tillämpning av bredbandskombinerad akustisk undervattensgivare

introduktion

 

Havet är inte bara en viktig skatt av fiske- och mineraltillgångar, utan också en viktig position för länder att upprätthålla nationell säkerhet och militära kamper. Därför har akustisk undervattensteknik blivit ett viktigt medel för den nuvarande utforskningen och utvecklingen av marina resurser, undervattenskommunikation och navigering av fartyg, detektering och igenkänning av undervattensmål, samt övervakning av havsmiljö och naturkatastrofprognoser. De akustisk undervattensgivare är bäraren av ljudvågsutsändning och mottagning i den akustiska undervattenstekniken, och dess tekniska nivå påverkar direkt eller till och med bestämmer den slutliga realiseringseffekten av den akustiska undervattenstekniken. Aktiv ekolodsdetektering och utforskning av marina resurser kräver givare med låg frekvens, hög effekt och liten storlek. Brussimulering och ekolodskalibrering kräver akustiska undervattensgivare med ultralåg frekvens och ultrabredbandsegenskaper. Inom området för akustisk undervattenskommunikation krävs att akustiska undervattensgivare har egenskaperna hög effektivitet, ultrabredband, hög känslighet och platt in-band. I allmänhet utvecklas undervattens akustiska givare mot lågfrekventa, bredband, hög effekt, liten storlek och djupt vatten. Djupvattensgivaren använder den interna spolningsmetoden för att arbeta på ett djup av upp till 11 000 m och använder kopplingen av den interna oljekaviteten och strukturella delar för att bilda multi-mode vibrationer, vilket breddar frekvensbandet för givaren. En multi-resonant hålighet bildas av överfulla runda rör av olika storlekar, och arbetsfrekvensen kan justeras genom att ändra storleken på de runda rören för att få en bredare givare.

 

Bandbredden för frekvensområdet är 200Hz~2kHz. Diametern på undervattenshydrofongivare är 250 mm och längden är 500 mm. Täckningsbandet är 7~15kHz, ljudkällans nivå är 200dB, mottagningskänsligheten är -176dB och arbetsdjupet under vattnet är 11000m. Den nyligen utvecklade givaren har en storlek på Diametern är 240 mm, längden är 420 mm, täckningsfrekvensbandet är 1,8 ~ 8,0 kHz, överföringssvaret är 144 dB och fluktuationen inom bandet är mindre än 6 dB. Sammanfattningsvis har utländska akustiska undervattensgivare täckt hela arbetsfrekvensbandet, till och med täckt hela vattenområdet, och har bildat en viss skala i teknik, serialisering och generalisering, vilket representerar den avancerade nivån i branschen. Inhemska forskningsinstitut och andra relaterade enheter har bedrivit mycket forskning och experiment och har uppnått vissa resultat. Det finns dock fortfarande en viss lucka i nyckelteknologin och bearbetningstekniken för akustiska undervattensgivare jämfört med främmande länder, särskilt i De ständigt ökande kraven på ultrabredband, liten storlek och hög prestanda inom akustisk undervattensdetektering kräver djupgående forskning. Utvecklingskrav .Med utvecklingen av bullerreduceringsteknik för fartyg i olika länder har bullernivån för fartyg och undervattensmål gradvis reducerats. Undervattensvapen och utrustning som torpeder använder för det mesta bredbandiga akustiska undervattensgivare för att utöka detektionsområdet och förbättra komplex undervattensakustik. Detekteringsförmågan och träffnoggrannheten under efterklangsbakgrunden förbättrar förmågan att identifiera undervattensmål. Dessutom, som svar på olika flottor, underrättelsetjänster, ekonomiska enheter och till och med internationella terroristorganisationer, vid utplacering av grodmän, utförs ofta autonoma undervattensfordon (AUV) och mikroubåtar för spaning, sabotage, explosioner och minläggningsoperationer i småskaliga operationer. Fjärrstyrda obemannade undervattensfarkoster (ROV) och andra undervattensfarkoster är utrustade med olika detekteringsutrustning för säkerhetsskydd, och specifika krav ställs för de viktigaste tekniska indikatorerna för deras ekolod. I detta dokument, som syftar till kraven för akustisk detektering av vågbubblor från ytfartyg, designas och utvecklas en modell med 3 ~ 100 kHz ultrabredbandsmottagnings- och sändningsfunktioner, som kan utföra akustisk undervattensmätning i realtid av fartygens vakbubblor vid en stor öppningsvinkel för varje annan sändningsvinkel och kräver att varje annan sändnings- och sändningsvinkel är beroende av mottagaren. Och kontrollerbar, den övergripande strukturen måste vara kompakt, den fysiska storleken är liten och den är lätt att installera och använda på en liten ROM. Med tanke på de faktiska kraven och faktiska arbetsförhållandena är de viktigaste tekniska indikatorerna för givaren som beskrivs i den här artikeln följande: 1) Sändningsfrekvensen är 3~100kHz, och mottagningsfrekvensen är 1~100kHz. 2) Emissionsljudkällans nivå ≥ 189dB. 3) Mottagningskänslighet ≥ -180dB. 4) In-band fluktuation ≤ 6dB. 5) Strålbredd (horisontell) ≥ 90° (-3dB). 6) Strålbredd (vertikal) ≥ 70° (-3dB). 7) Arbetsvattendjup ≥ 500m. 8) Mått ≤ 350 mm × 150 mm × 250 mm. 9) Massa ≤ 10 kg. Bland dem är ROV en liten detektionsstruktur, och dess bärförmåga är begränsad, så givaren måste vara så liten som möjligt, lätt i vikt och lätt att implementera under förutsättningen att prestandaindikatorer ska uppfyllas.

 

2 Givardesign och utveckling

 

2.1 Givardesign och simuleringsanalys

De undervattens cylinderformad givare tillhör en separat struktur för mottagning och sändning. Sändningsänden realiseras genom att använda tre sändargivare med sammansatt stavstruktur, och motsvarande frekvensband är 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz, 45 ~ 100kHz; den mottagande änden realiseras genom att använda 2 piezoelektriska keramiska ringseriers hydrofoner, och frekvensbanden är respektive. Det är 1-40kHz, 40-100kHz. Ovannämnda sändande och mottagande givarbas är förpackad som en helhet, och en antiakustisk baffel är utformad inuti. Efter att förpackningen har integrerats är den totala massan cirka 9 kg. Transduktorns övergripande form är en oregelbunden kuboid. Grundstorleken är cirka 310 mm × 150 mm × 220 mm. Utseendet visas i figur 1. Huvudkabeln kan anslutas till extern elektronisk ekolodsutrustning i form av kontakter.

 

Med sikte på de viktigaste tekniska indexkraven för den akustiska undervattensgivaren i denna artikel, i kombination med ovanstående designschema, utförs simuleringsanalys av dess sändnings- och mottagningsprestanda. På grund av den komplexa strukturen hos givaren som utformats i detta dokument och den breda frekvensbandstäckningen, är teoretiska analysmetoder inte lämpliga för beräkning och simulering. Som vi alla vet är den finita elementmetoden en numerisk simuleringsmetod som ofta används i nuvarande ingenjörspraktik. Använd ANSYS-mjukvaran för att simulera ett fritt vattenområde och skapa en förenklad modell av givaren. Välj en punkt i fjärrfältsenheten direkt framför frontluckan för att beräkna ljudtrycket, och sedan kan givarens sändningsspänningssvar konverteras. I fjärrfältsenheten väljer du ljudtrycket i varje riktning på ett visst avstånd längs givarens mitt för att beräkna den öppna vinkeln för givarens emissionsriktighet. Eftersom den sammansatta stavomvandlaren har axiell symmetri, väljs en 2D-axisymmetrisk transduktor med finita element för analys av finita element. När du använder ANSYS-beräkning är det nödvändigt att beakta vattnets inverkan på givaren. Vanligtvis är motsvarande effekt en vattenpolo, och sedan appliceras belastningen för att beräkna lösningen. Modellen av givaren i vattnet visas i figurerna 2 och 3.

 

Det kan ses från figurerna 2 och 3 att de sändande omvandlarna är utformade med dubbelresonans toppbredband. Resonansfrekvenserna för 3~18kHz-enheten hos den sändande givaren är 5kHz, 14kHz, och resonansfrekvenserna för enheten på 18~45kHz är 20kHz, 40kHz, och resonansfrekvenserna på 45~100kHz. 1-40kHz-enheten i den mottagande hydrofonen använder en piezoelektrisk ring, och enringsresonansfrekvensen är större än 40kHz för att säkerställa ett plant arbetsfrekvensband. Den interna två-serier och två-parallella struktur förbättrar känslighet och stabilitet; 40-100kHz-enheten i den mottagande hydrofonen använder piezoelektriskt kompositmaterial, resonansfrekvensen är större än 100kHz för att säkerställa planhet i bandet. I denna artikel används den finita elementekvationen som MU ¨ + CU · +KU = F (1) där: M är massmatrisen; C är dämpningsmatrisen; K är styvhetsmatrisen; U är nodförskjutningsvektorn; F är lastvektorn. Emissionsspänningens svarsnivå TVR är TVR = 20 lg p RV + 120 (2) där: p är nodens ljudtryck; R är avståndet från noden till det ekvivalenta mitten av ljudkällan; V är den pålagda spänningen. Extrahera ljudtrycket p för noden på den akustiska axeln i ANSYS, och beräkna emissionsresponskurvan för givaren. I själva designen är den sändande delen av den akustiska undervattensgivaren sammansatt av tre typer av sammansatta stavsändande givare, som realiserar bredbandsriktad emission och samtidigt undertrycker den bakre strålningen. Den sändande givaren täcker ett brett frekvensområde och används främst för akustisk undervattensmätning. Den måste ha god planhet i bandet för att säkerställa noggrannheten för akustisk undervattensmätning. Inom tekniken används ofta metoder som att optimera storleken på givarens strålningshuvud, eller styra fasoptimeringen för att minska fluktuationerna i bandet, och serieresistansen på den piezoelektriska keramiska stapeln före och efter dubbelresonans (eller 'dubbel excitation') emissionsgivare. , För att ytterligare minska fluktuationen av givarens sändningsspänningssvar i arbetsfrekvensbandet. Detta dokument tar hänsyn till storleken och kvaliteten på givaren monterad på det lilla ROM-minnet, såväl som den övergripande installationsstrukturen, och antar huvudsakligen litteraturmetoden för att undertrycka fluktuationen inom bandet hos den sändande givaren, det vill säga metoden för att justera resistansen hos det matchande motståndet. Om man antar att serieresistansen för de främre och bakre piezoelektriska keramiska staplarna inuti den sändande givaren är R1 respektive R2, justeras resistansvärdena för R1 och R2 för att styra den sändande givarens planhet i bandet. Genom finita elementanalys simuleras emissionssvaret från den sändande givaren under olika resistansvärden. Om man tar den designade 18~45kHz dubbelresonans sändargivaren som ett exempel, visar simuleringsanalysen att sändningssvaret varierar med resistansvärdekurvan som visas i figur 4. Det kan ses av figuren att justering av R1 och R2 i princip kan styra planheten i frekvensbandet hos den sändande givaren. Genom att optimera resistanserna R1 och R2 kan man dra slutsatsen att när R1=940 Ω , R2=330 Ω , har den bättre planhet i bandet. (Visas med den streckade linjen i figur 4), och den totala emissionsresponsen inom bandet förändras inte mycket,

 

Den kan uppfylla designkraven, i kombination med den faktiska fysiska storleken och bredbandsimpedansmatchning, kan omfattande simulering få 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz och 45 ~ 100kHz simuleringsresultat för sändarens spänningssvar, som visas i figur 5-7. Det kan ses av Fig. 5-7 att givarens spänningssvar för givaren inte är mindre än 140dB i frekvensbandet, vilket uppfyller kraven för designingångsrelaterade tekniska indikatorer, och kan ge en högre ljudkälla för akustisk detektering under vatten på långa avstånd.

Den mottagande delen av den hydroakustiska givaren realiseras genom kombinationen av två uppsättningar av hydrofonuppsättningar, som var och en antar en serie- och parallellkoppling av piezoelektriska keramiska ringar för att uppnå riktad mottagning. Bland dem är 1-40kHz frekvensbandshydrofonen gjord i form av två piezoelektriska keramiska ringar kopplade i serie. Känsligheten för en enkel hydrofon är inte mindre än -193dB, och hydrofonens känslighet efter seriekoppling är inte mindre än -178dB. Resultaten från känslighetssimuleringsanalyserna visas i figur 8. Hydrofonen har ingen horisontell riktning (baffel-justerbar riktning kan användas), och den vertikala riktningen på 3 kHz är cirka 130 ° . Simuleringsresultaten visas i figur 9. Den vertikala riktningen på 40 kHz är cirka 73 ° och simuleringsresultaten visas i figuren 

 

 

11. Den mottagande delen av hydrofonen i 40~100kHz frekvensbandet antar två piezoelektriska keramiska ringseriestrukturer. Arbetsfrekvensen kan möta användningen av 40 ~ 100kHz, men känsligheten är låg. Efter seriekopplingen är hydrofonens känslighet inte mindre än -180dB. Känslighetssimuleringsresultaten är som följer. Som visas i figur 11. Hydrofonens nivå har ingen riktning (en baffel kan användas för att justera riktningen), och den vertikala riktningen vid 100 kHz är cirka 77 ° . Simuleringsresultaten visas i figur 12

Enligt simuleringsanalysen baserad på finita elementmetoden kan den kombinerade givaren som designats i detta dokument uppfylla designinputkraven när det gäller sändning och mottagning, och de viktigaste tekniska indikatorerna är uppfyllda.

 

 2.2 Givarutveckling

Bredbandet kombinerat sfärisk akustisk undervattensgivare är installerad på en liten ROM för användning. Baserat på att möta behoven för akustisk bredbandsdetektering fokuserar den på liten storlek och lättviktsdesign. I detta dokument, kombinerat med den övergripande strukturdesignen för ett litet ROM, visas den slutligt utvecklade givaren i figur 13. Den specifika designstrukturen visas i figur 14. Den bredbandskombinerade akustiska undervattensgivaren som utformats och utvecklats i denna uppsats täcker sändningsfrekvensområdet 3~100kHz, mottagandet av frekvensbandet 1~10, det totala frekvensbandet av 1~10kHz och det fysiska 9,4 kg (i luften, inklusive fästet och anslutningskabeln), storleken är 328,5 mm × 140 mm × 240 mm, vilket är mindre än storleks- och kvalitetskraven i designinmatningen, vilket minskar kraven på ROM-bärkapacitet. Givaren matchas och installeras på ROM-kroppen, och det faktiska objektet efter installationen visas i figur 15. Simuleringsanalysresultaten kan användas som designreferensingång, men i den efterföljande faktiska utvecklings- och felsökningsprocessen måste den justeras enligt den faktiska mätsituationen för att uppfylla de faktiska användningskraven.

 

3 Experimentellt test

Den sändande delen av den bredbandskombinerade akustiska undervattensgivaren antar 3 vertikala enheter för att bilda ett arbetsfrekvensband som täcker 3~100kHz, och den mottagande delen antar 2 oberoende enheter för att bilda ett arbetsfrekvensband som täcker 1~100kHz. Den övergripande layouten för sändning i båda ändar och mottagning i mitten har antagits för att säkerställa öppningsvinkeln för givaren. En antiakustisk baffel är utformad inuti givaren för att minska den interna reflektionen och överlagringen av den akustiska signalen. Samtidigt antas en justerbar stödmekanism i den mottagande delen, och höjden på den mottagande givaren justeras begränsat i enlighet med den faktiska testsituationen för att ytterligare utöka den mottagande öppningsvinkeln för att undvika ocklusion och reflektion av givarens skal och ROV-kroppen. Efter att utvecklingen är slutförd, för att ytterligare få givarens faktiska arbetsprestanda, som skiljer sig från den oberoende transceivertestmetod som vanligtvis används i laboratoriet, används det övergripande akustiska prestandaindextestet för givaren här. Det vill säga, efter att det hela är installerat på ROV:n, utförs tanktestet av givaren under simulering av faktiska arbetsförhållanden för att ytterligare bekräfta att givaren är installerad på ROV:n och påverkas av ROV-strukturen, för att erhålla givarens faktiska arbetstillstånd. Verkliga prestandaparametrar. Ett omfattande test utfördes i en ekofri pool för att verifiera realiseringen av dess prestationsindikatorer. Testförhållandena för den ekofria vattenpoolen. den omgivande rumstemperaturen är 25 ℃ , testkabelns längd är 3 m, vattendjupet är 3 m, den omgivande vattentemperaturen är 20 ℃ , isolationsresistansen är 500 M Ω , den statiska kapacitansen är 51 000 pF och testavståndet är 6,2 m. De faktiska mätresultaten visas i figur 16

 

 

ROV:n används för att montera en bredbandskombinerad akustisk undervattensgivare för att utföra akustisk bredbandsdetektering under vatten av vågbubblorna från ett ytfartyg, och erhålla de relevanta akustiska egenskaperna hos vakbubblorna och vågens fysiska storlek. I det specifika sjötestet användes ytfartyget för att göra direktnavigering i hög hastighet på vattenytan. Fartyget var 7,5 m långt, 3 m brett och hade ett djupgående på 0,35 m. Propellern på den externa motorn var 0,8 m under vattnet. Testvattenområdet är ett öppet område av en sjö, områdets genomsnittliga djup är 35m, och fartygets hastighet är 10 knop när man passerar mätpunkten. ROV:n är utrustad med en bredbandskombinerad akustisk undervattensgivare i denna artikel för kontinuerlig mätning. Vid upprepade mätningar används olika akustiska frekvenskombinationer för detektering, och mätresultaten för distribution av vakna bubblor erhålls, som visas i figur

 

 

Det framgår av figur 18 att själva mätningen av storleken på fartygets vågbubblor är koncentrerad till den höga densiteten 10-20 μm . Mätresultatet överensstämmer med den högsta bubbeltätheten i kölvattnet som ges av litteraturen med en radie på 10-20 μm , vilket bevisar att givaren .Enheten uppfyller testkraven i den faktiska arbetsmiljön. Samtidigt används givaren för att kontinuerligt mäta det vakna bubbelskiktet som bildas efter att ytfartyget seglar, och enligt den erhållna informationen om vågbubblans akustiska målintensitet, kombinerat med den aktuella akustiska undervattensmiljön (såsom ljudhastighet, vattendjup, etc.) och tidigare data (såsom givarens känslighet, emissionsljudkällans nivå, uppskattning av ljudkällan, kretsförstärkning, etc.), kretsförstärkning, etc.). erhållit bubbelstyrkekurvan med djup och tid som visas i figur 19. Det kan ses från figur 19 att vakningsbubblans varaktighet är cirka 173 s, och den faktiska mätningen av mellanvågsbubblans tjocklek är 1,46 m, vilket i princip överensstämmer med den empiriska formeln som ges av den konventionella vakberäkningsformeln. Sammanfattningsvis, genom det övergripande mättestet i den ekofria poolen, visar mätresultaten att givarens faktiska prestanda i princip överensstämmer med simuleringsresultaten. Den är installerad på ROV-plattformen och verifierad av själva navigeringstestet på sjön. Testresultaten visar att givaren täcker ett brett frekvensband, har en liten struktur och att mätresultaten i princip överensstämmer med empiriska formler. Mätdatan är trovärdig och kan uppfylla kraven för fartygsvågbubblor på ytan.

 

 4 Slutsats

 

 Detta dokument föreslår en kombinerad integrerad givardesignmetod, med ett lågfrekvent till högfrekvent bredbandsdriftsfrekvensband, vilket kännetecknas av att den sändande änden kan täcka 3~100kHz, den mottagande änden täcker 1~100kHz och öppningsvinkeln är inte mindre än 70 ° ; Antagande av en separat transceiverlayout, sändning i båda ändar, mottagning koncentrerad i mitten, inre akustisk baffelstrukturdesign; de interna komponenterna i givaren är integrerade och matas ut genom en vattentät anslutning, vilket minskar komplexiteten hos externa anslutningar; Genom givarens mittstödstruktur kan givarens övergripande tyngdpunkt justeras, vilket är bekvämt för anpassning och installation av små undervattensfordon som ROV; givarens öppna layout, den mekaniska belastningen genom metallstödet, reducerar hela givaren. Kvaliteten och storleken på enheten förbättrar passformen. Denna givare har fördelarna med ett brett arbetsfrekvensband, större öppningsvinkel och lägre vikt under begränsningen av liten storlek. Det har framgångsrikt tillämpats på en liten ROM, vilket löser problemet med ultrabredbandstestning av akustisk undervattens på en liten ROM-plattform. Har högt militärt och civilt värde.