Design av driv- och mottagningskrets baserad på akustisk undervattensgivare

Med utgångspunkt från behoven för militär ubåtskommunikation och civil undervattenskommunikation, en enkelriktad plan hydroakustisk undervattensgivare med en resonansfrekvens på 150 kHz tillverkades, och sändarens och mottagardrivkretsarna för givaren designades baserat på principen om punkt-till-punkt-kommunikation. Den akustiska undervattensgivaren placeras i vattenområdet och ansluts till kretsen för att realisera kommunikationsfunktionen för långdistans undervattenskommunikation. Kretsen testades på en egendesignad experimentplattform. Testresultaten visar att den tillverkade givaren har högre emissionsspänningssvar och känslighet, enkelriktad, och den akustiska undervattenskommunikationskretsen har justerbar frekvens, och kommunikationen är tydlig och stabil. Den akustiska undervattenskommunikationskretsen kan användas för militär och civil kommunikation och är lätt att flytta och bära och lätt att felsöka. På grund av absorptionen av elektromagnetiska vågor, ljusvågor och andra energiformer av havsvatten och förekomsten av djuphavs-'konvergenszoner', är ljudvågor för närvarande den enda kända energiformen som kan sända signaler trådlöst över långa avstånd under vattnet. Ljudvågor med en vibrationsfrekvens över 20 kHz kallas ultraljudsvågor. Jämfört med vanliga ljudvågor har ultraljudsvågor bättre riktning, starkare penetrerande kraft och bättre reflektionsprestanda. Därför används de i stor utsträckning inom informationsöverföring, skadedetektering, distanstester och medicinska och hälsorelaterade områden. Men i utbredningsprocessen ökar ljudvågens energiförlust i vattenkanalen med ökningen av frekvensen, så att vattenkanalens tillgängliga bandbredd är smal och informationskapaciteten liten. Därför spelar prestandan hos den sändande och mottagande drivkretsen en avgörande roll för kvaliteten på akustisk undervattenskommunikation. Under förra seklet utvecklade US Harris Acoustic Products Company, Frankrike och Storbritannien hydroakustiska kommunikatörer som är lämpliga för undervattensfartygskommunikation. De använde enkelsidbandsmodulering och använde hydrofoner med stora volymer som 'fönstret' för signalöverföring och mottagning. , För att uppnå ett visst avstånd av undervattenskommunikation, men utrustningen är komplex, givaren är stor och riktningen är inte tillräckligt skarp, inte lämplig för civilt bruk; Sammansatt i ett analogt kommunikationssystem baserat på Linux-signalbehandlingsprogramvara, på kanalsimulatorn realiseras långdistanskommunikation, men den ideala designkanalen skiljer sig från den faktiska vattenkanalen; andra har byggt ett undervattenskommunikationssystem baserat på parallellt kombinerad kartläggningssekvens spridningsspektrum, med hjälp av DSP-chip som informationsbearbetningsmodul, för att på så sätt realisera undervattensdold, höghastighetsöverföring av information mellan plattformar. Emellertid används 555-timern traditionellt för att generera en bärvåg med en specifik vibrationsfrekvens för att driva givarens drivkrets, och den genererade vågformens frekvensstabilitet är relativt dålig; och den nyligen framväxande DSP-chipbehandlingsteknologin har komplexa algoritmer och måste utföras för olika vatten. Den komplicerade beräkningsändringen och ersättningen lämpar sig inte för storskalig befordran på det civila området. Dessutom är sonderna som används i kommunikationskretsens signalsändtagare som har utvecklats inte tillräckligt skarpa, kraften är inte koncentrerad och bandbredden är relativt smal, vilket inte främjar signalöverföring och mottagning. De flesta ultraljudssändtagare är dock inte lämpliga för vattenkanaldrift och kan inte möta faktiska civila och militära behov.

 

1) Baserat på en liten volym enkelriktad akustisk undervattensgivare , denna uppsats använder dubbelsidbandsmodulering och koherenta demoduleringsmetoder för att utveckla en sändande och mottagande drivkrets som är lämplig för undervattenskommunikation. Den akustiska undervattenskommunikationskretsen har högfrekvensbandanvändning och frekvensjusterbar, lämplig för 0 kHz ~ 12. Frekvensomvandlaren på 5 MHz har ett kommunikationsavstånd på upp till 100 meter. Sändnings- och drivkretsen, mottagnings- och drivkretsen och den sändande givaren och hydrofonen i kretsen bildar tillsammans en uppsättning hydroakustiska kommunikationssystem. Systemet använder sändaren och hydrofonen som 'fönster' för signalutbyte, använder STM32F103RCT6 och AD9833 som bärsignalkälla, och kombinerar relevanta modemkomponenter för att slutligen uppnå stabil och tydlig kommunikation.

 

1 Givarproduktion

 

Det 1-3 piezoelektriska kompositmaterialet hänvisar till ett material bildat av endimensionella anslutna piezoelektriska keramiska kolonner anordnade parallellt i en tredimensionell ansluten polymer. Jämfört med rena keramiska piezoelektriska material 1-3 piezoelektriska kompositmaterial, har det bättre effekter vid skadedetektering och produktion av sändande och mottagande givare. Därför antar den akustiska vågsändtagaremodulen i detta system en plan ultraljudsgivare gjord av 1-3 piezoelektriska kompositmaterial utvecklade i laboratoriet, som är sammansatt av ett 1-3 piezoelektriskt kompositplanärt känsligt element, ett vattentätt ljudgenomsläppligt skikt, en elektrodledning och ett styvt skummaterial av hög kvalitet och metall. Innan du gör givaren är det nödvändigt att använda ANSYS finita element simuleringsprogram för modellarkitektur och simuleringsberäkning.

 

Simulering av 1-3 piezoelektrisk kompositsensor

 

I ANSYS finita element simuleringsprogram, ställ först in enhetstyp, densitet, Poissons förhållande och Youngs modul för epoxihartset, och ställ in densitet, styvhetsmatris, dielektrisk konstantmatris och piezoelektrisk matris för den piezoelektriska keramen. För det andra, ställ in strukturen för den 1-3 piezoelektriska kompositmaterialmodellen: ett plan med en längd på 100 mm, en bredd på 100 mm och en tjocklek på 10 mm, där bredden på polymerfasen är 0, 28 mm, bredden på den piezoelektriska keramiska kolonnen är 4 mm 0, höjden är 4 mm. På detta sätt är volymandelen av PZT piezoelektriska keramiska lilla kolonnen i kompositmaterialet 51,84%. Eftersom modellen av 1-3 kompositmaterialet innehåller tvåfasmaterial är beräkningsmängden stor när simuleringsberäkningen utförs. För att minska beräkningsmängden väljs en enhet av det 1-3 piezoelektriska kompositmaterialet för simuleringsberäkningen. Strukturdiagrammet för den piezoelektriska kompositmaterialmodellen med 1-3 och det tredimensionella diagrammet för den piezoelektriska keramiska kolonnen är som följer:

1-3 piezoelektriska kompositmaterialelement av typen är maska, och symmetrigränsvillkor läggs till gränsen runt Z-axeln (längd) av elementet, och 1 V spänning läggs till den övre ytan av den piezoelektriska keramen i Z-axelns positiva riktning, Z = 0 V Addera en spänning för bottenfrekvensen analysen 0 och frekvensen S. analysområde (50 ~ 250 kHz) och antalet steg), och sedan lösa och efterbearbeta, det erhållna admittansdiagrammet visas i figur 2. Det kan ses från figur 2 att givaren uppfyller frekvenskraven, och de känsliga komponenterna kan göras enligt de inställda parametrarna.

 

Den piezoelektriska kompositsensorn av typ 1-3 är gjord av piezoelektriska keramiska block med en längd på 100 mm, en bredd på 100 mm och en tjocklek på 10 mm. Skär i längd- och breddriktningarna enligt modellens design och injicera sedan epoxiharts 618. Efter att ha stått i 24 timmar utför du samma skärning på baksidan för att polera bort överflödig epoxiharts i tjockleksriktningen för att göra en 1-3-typ. Piezoelektriskt kompositmaterial. Använd alkohol för att rengöra ytan på kompositmaterialet, och applicera silverpasta för att kompensera elektroden som förstördes genom att polera epoxihartset och gör slutligen det 1-3 piezoelektriska kompositmaterialet känsligt. Använd Agilent 4294A impedansanalysator för att testa de känsliga komponenterna. Testresultaten visar att bandbredden för den piezoelektriska kompositmaterialsensorn av typ 1-3 är 1 när resonansfrekvensen är 151 kHz. 71 kHz, den akustiska impedansen är 17. 47 Pa·s/m3, konduktivitetsvärdet är 104. 6 mS, den elektromekaniska kopplingskoefficienten är 0. 68. Den mekaniska kvalitetsfaktorn är 88. 18. Testresultatet för det känsliga materialet är bra.

 

1.3 Tillverkning av högfrekvent enkelriktad plan undervattens hydroakustisk givare Lägg grafit till polyuretanen vars huvudkomponent är epoxiharts och rör om för att göra det vattentäta ljudgenomsläppliga skiktet som krävs, och gör formen enligt storleken på givaren för hällning och försegling, och gjorde slutligen en högfrekvent enkelriktad plan undervattens akustisk givare.

 

1. 4 Test av givarens prestanda

Att testa omvandlarens prestanda innefattar huvudsakligen mätning av dess överföringsspänningssvar, mottagningskänslighet och riktverkan. Att mäta en givares riktverkan används vanligtvis för att rita dess riktningsmönster. Under mätningen roteras givaren som testas för att uppnå syftet att mäta givarens sändningssvar eller ta emot känslighet med azimutvinkeln, och sedan erhålls riktningsmönstret för givaren efter konvertering

 

2 Kretsdesign

 

Med tanke på punkt-till-punkt-kommunikationsmetoden och effektutnyttjandegraden, antar den här artikeln dubbelsidband (DSB) signalmodulering och koherent demodulering. Modulationsprincipen visas i ekvation (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Demodulationsprincipen visas i ekvation (2 ): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Där: uDSB är den modulerade signalen; uc(t) är den modulerade signalen; uΩ (t) är bärarsignalen. Den väsentliga funktionen hos DSB-modulationskretsen är en multiplikator, som använder bärvågssignalen för att överföra informationen som bärs av basbandssignalen. Under demodulering multipliceras den modulerade signalen med en bärvåg med samma frekvens och fas och passerar sedan genom ett bandpassfilter för att erhålla den ursprungliga signalen. Energiomvandlingsenheten som krävs för signalöverföring antar den plana ultraljudsgivaren som tillverkas i denna artikel. Principen för det sändande och mottagande drivkretssystemet visas.

 

2. 1 kretsmodul

STM32F103RC mikrodator med ett chip använder Cortex-M3-kärnan och dess maximala CPU-hastighet är 72 MHz. Jämfört med 51 och 52 modell mikrodatorer med en chip, är instruktionsexekveringshastigheten snabbare, volymen är mindre och integrationen är enkel. AD9833 är en låg strömförbrukning,

programmerbar signalgenereringsmodul, som kan programmeras för att generera sinus-, fyrkants- och triangelvågor i ett visst frekvensområde. FSYNC-porten på den är ingångsnivåtriggerporten, som fungerar som ramsynkronisering och aktiveringssignal. När FSYNC är låg kan data överföras. Dessutom har AD9833 ett 16-bitars kontrollregister. Genom att programmera kontrollregistret kan AD9833 fungera i det tillstånd som användaren kräver. Att använda STM32F103RC-modellen enkelchips mikrodator för att styra AD9833-signalgenereringsmodulen ger mindre sinusvågsdistorsion. Kretsen drivs av TPS5430 switchande strömförsörjningsmodul, som kan ge stabila 5 V och 12 V spänningar, vilket undviker distorsion och fördröjning av signalöverföring.

 

När den externa ljudsignalen kommer in i drivkretsen multipliceras den med sinusvågen på 150 kHz som genereras av bärvågsgenereringsmodulen i multiplikatorn AD835-modulen (dubbelsidbandsmodulationssteg), och sedan filtrerar bandpassfiltret bort en del av bruset från multiplikatorns utsignal. Den genererade signalen förstärks av effektförstärkaren och ansluts sedan till den sändande givaren, och slutligen sänder den sändande givaren signalen ut i vattnet. Dubbelsidbandsmodulering kan flytta basbandssignalen till bärvågsfrekvensen för att uppnå multiplexering och förbättra kanalutnyttjandet; för det andra utökar den signalbandbredden, förbättrar systemets anti-interferensförmåga och förbättrar signal-brusförhållandet. I denna drivkrets förstärker effektförstärkaren signalen för att driva givaren att fungera. Den externa ljudsignalen kan vara musik som leds av hörlursuttaget på en elektronisk enhet, såsom en mobiltelefon, eller en signal som konverteras och leds av externt ljud genom en mikrofonmodul.

 

2. 3 Mottagnings- och drivkrets

Efter att den sändande omvandlaren sänt ljudvågssignalen till vattenkanalen, krävs en motsvarande mottagande drivkrets för att ta emot signalen i vattenkanalen och återställa den ursprungliga modulerade signalen. Arbetsprincipen för den mottagande drivkretsen utformad i denna artikel. Efter att den mottagande drivkretsen tagit emot signalen i kanalen, skickas den till högpassfiltret genom högfrekvenstråden, och bruset som genereras av kretsen och blandas i kanalen tas bort. Därefter multipliceras denna signal och 150 kHz sinusvåg i multiplikatorn AD835-modulen. Utsignalen från multiplikatoroperationen sänds till bandpassfiltret genom den koaxiala högfrekvenskabeln, och signalen i det erforderliga frekvensområdet väljs (koherent demodulationssteg). Slutligen används effektförstärkarmodulen TDA2030A för att driva högtalarmodulen, och den demodulerade signalen spelas upp i form av ljud. I detta system måste både den sändande drivkretsen och den mottagande drivkretsen använda den spänningsstabiliserande modulen TPS5430 för att säkerställa en stabil och stabil drift av spänningen för varje modul, och filtren är alla 4:e ordningens aktiva filter. Bärvågorna som används i modulerings- och demoduleringsprocessen har alla samma frekvens, som genereras av den aktiva AD9833-modulen efter att ha programmerats av STM32F103RC-mikrokontrollern.

 

3 Experimentell verifiering

3. 1 Hydroakustisk kommunikationsverifiering

För att verifiera funktionen av detta system genomfördes ett akustiskt kommunikationstest under vattnet i en sjö med en radie på ca 100 m. Sänd sändarens givare och mottagarens givare

Mottagarna är placerade på båda sidorna av sjön i diameterriktningen, respektive anslutna till den sändande drivkretsen och den mottagande drivkretsen. Eftersom frekvensen för mänsklig röst i allmänhet ligger i intervallet 8-10 kHz, inklusive många övertonskomponenter, väljs ljudsignalen för en låt slumpmässigt som moduleringssignal. Signalen visas av ett oscilloskop, den ursprungliga ljudmoduleringssignalen visas i figur 7(a), och 150 kHz-bärvågssignalen som matas ut av AD9833 visas i figur 7(b)

Bärvågssignalen och ljudmodulationssignalen matas in till multiplikatorn för att utföra preliminär modulering. Efter att ha mätts med ett oscilloskop visas utsignalen från multiplikatorn i figur 8.

Enligt frekvensvisningen i figur 8 överensstämmer den med dubbelsidbandsmoduleringslagen. Multiplikatorns utsignal matas in i effektförstärkaren genom koaxialkabeln, och signalens effekt ökas i ett mindre distorsionsområde för att driva givaren att mata ut signalen. Sändningsgivarens ingång visas med oscilloskop. Signalen visas i figur 9.

Det kan observeras i figur 9 att graden har försvunnit, det vill säga att bruset som genereras av kretsen har filtrerats bort. Den mottagande givaren, det vill säga hydrofonen, tar emot signalen från kanalen som visas i figur 10.

Signalen som tas emot av hydrofonen innehåller ljudsignaler, brus och en del av den överlagrade signalen som orsakas av flervägseffekten i kanalen, vilket resulterar i fel och överlappningar i vissa signalvågformer. Efter att den mottagna signalen har filtrerats av ett högpassfilter för att ta bort lågfrekvent brus och överlagrade signaler, demoduleras den med en 150 kHz sinusvåg i ett system som består av en multiplikator och ett bandpassfilter för att återställa den ursprungliga basbandssignalen, och högtalaren drivs av effektförstärkarmodulen TDA2030A. Den ursprungliga ljudsignalen sänds utan distorsion. Sändningsljudsignalen är den ursprungliga musiksignalen. Ljudsignalen som återställs av den mottagande drivkretsen visas i den nedre vågformen i figur 11.

Figur 11 visar en jämförelse av de två vågformerna. Den övre delen visar signalen som tas emot av hydrofonen, och den nedre delen är den återställda ljudsignalens vågform. Ljudåterställningseffekten är bra. Vågformerna för den ursprungliga ljudsignalen och den återställda ljudsignalen jämförs och jämförs med originalljudet och den faktiska ljudkvaliteten. Resultatet visar att systemet kan driva en 150 kHz högfrekvent enkelriktad plan hydroakustisk givare. Ljudsignalen kan överföras med hög kvalitet, och ljudet i sändningsänden är tydligt och stabilt.

 

3. 2 Verifiering av frekvensjustering

Efter att ha verifierat att systemet och den matchade givaren fungerar och fungerar normalt, utförs ett andra experiment för att verifiera justerbarheten av systemets frekvens. Programmera signalgenereringsmodulen för att modifiera den för att matcha 300 kHz-givaren tillverkad i laboratoriet. Testa signalöverföringseffekten. Ljudmodulationssignalen visas i figur 12(a), och den nyligen återställda ljudsignalen visas i figur 12(b).

Signalvågformen som detekteras av oscilloskopet representerar den överförda ljudsignalen. I figur 12(b) är den övre delen signalen som tas emot av hydrofonen, och den nedre delen är den återställda ljudsignalens vågform. Genom att jämföra och analysera systemets in- och utgående ljudsignaler kan man se att systemet kan sända ljudsignaler med hög kvalitet, det vill säga systemet kan anpassa sig till signaler med olika resonansfrekvenser inom ett visst frekvensområde.

 

3. Resultatindexanalys

Först och främst, under villkoret av högfrekvent exakt överföring av information, är utbredningsavståndet för detta system mer än 100 m vid 150 kHz, vilket vida överstiger det akustiska undervattenskommunikationsavståndet på mindre än 100 meter som uppnås av många undervattenskommunikationssystem på bekostnad av signalöverföringskvaliteten. För det andra, när det gäller prestanda för överföringsinformationsbandbredden, jämfört med många akustiska undervattenskommunikationssystem med en bandbredd på cirka 200 Hz på marknaden, kan överföringsbandbredden för detta system nå 1. 71 kHz, vilket till stor del undviker förvrängning av ljudsignaler under kommunikation. Slutligen, när det gäller kvaliteten på röstkommunikation, används klarheten hos röstsändningen vid den sista mottagarsidan som mätstandard. Jämfört med många civila vattenröstkommunikationsutrustningar med stort brus och oklara signaler testas systemet under samma sjöförhållanden. Ljudet är tydligt och stabilt.

 

4 Slutsats

Den här artikeln designar en uppsättning akustiska undervattenskommunikationskretsar baserade på den praktiska tillämpningen av punkt-till-punkt-kommunikation och akustisk undervattenskommunikation. Först och främst, baserat på de relevanta teorierna för givarens design och laboratoriets resultat, simuleras givarens struktur av ANSYS simuleringsmjukvara för ändliga element, och metoden för skärning och fyllning utförs genom att använda det högpresterande känsliga materialet PZT5-A som piezoelektriskt Keramiskt funktionsmaterialfas, epoxiharts 6, epoxiharts, epoxiharts 6. enkelriktad piezoelektrisk hydroakustisk plangivare av typen 1-3 komposit. Sedan användes den tillverkade givaren i kommunikationssystemet och en akustisk undervattenskommunikationskrets med stabil struktur och tydlig kommunikation utvecklades. Denna krets kan realisera effektiv undervattenskommunikation, och på grund av utformningen av modulerings- och demodulationskretsen och den justerbara frekvensen för bärarsignalen, kan kretsen också matchas med ultraljudssonden för att realisera funktionerna för långdistansdetektering av fel och avståndsmätning.