Проектування, розробка та застосування широкосмугового комбінованого підводного акустичного перетворювача

вступ

 

Океан є не лише важливим скарбом рибних і мінеральних ресурсів, але й важливим місцем для підтримки національної безпеки та військової боротьби для країн. Тому підводна акустична технологія стала важливим засобом для поточної розвідки та розробки морських ресурсів, підводного зв’язку та навігації кораблів, підводного виявлення та розпізнавання цілей, а також моніторингу морського середовища та прогнозування стихійних лих. The підводний акустичний перетворювач є носієм випромінювання та прийому звукових хвиль у підводній акустичній технології, і його технічний рівень безпосередньо впливає або навіть визначає кінцевий ефект реалізації підводної акустичної технології. Для активного гідролокатора та дослідження морських ресурсів потрібні перетворювачі з низькою частотою, високою потужністю та малими розмірами. Для моделювання шуму та калібрування сонара потрібні підводні акустичні перетворювачі з наднизькими частотами та надширокосмуговими характеристиками. У сфері підводного акустичного зв’язку підводні акустичні перетворювачі повинні мати такі характеристики, як висока ефективність, надширока смуга, висока чутливість і плоска внутрішньосмугова частота. Загалом, підводні акустичні перетворювачі розвиваються в напрямку низькочастотних, широкосмугових, високої потужності, малих розмірів і глибоководних. Глибоководний датчик використовує метод внутрішнього промивання для роботи на глибині до 11 000 м і використовує з’єднання внутрішньої масляної порожнини та структурних частин для формування багатомодової вібрації, яка розширює діапазон частот датчика. Багаторезонансна порожнина утворена переповненими круглими трубками різного розміру, і робочу частоту можна регулювати, змінюючи розмір круглих трубок, щоб отримати більш широкий перетворювач.

 

Смуга пропускання частот становить 200 Гц ~ 2 кГц. Діаметр підводний перетворювач гідрофона становить 250 мм, а довжина - 500 мм. Діапазон охоплення становить 7~15 кГц, рівень джерела звуку становить 200 дБ, чутливість прийому -176 дБ, робоча глибина під водою становить 11000 м. Нещодавно розроблений перетворювач має розмір Діаметр 240 мм, довжина 420 мм, смуга частот покриття 1,8 ~ 8,0 кГц, відповідь передачі 144 дБ, а внутрішньосмугові коливання менше 6 дБ. Таким чином, закордонні підводні акустичні перетворювачі охопили весь робочий діапазон частот, навіть охоплюючи всю акваторію, і сформували певний масштаб у розробці, серіалізації та узагальненні, що представляє передовий рівень галузі. Вітчизняні науково-дослідні інститути та інші суміжні підрозділи провели багато досліджень і експериментів і досягли певних результатів. Проте все ще існує певна прогалина в ключових технологіях і технології обробки підводних акустичних перетворювачів порівняно з зарубіжними країнами, особливо в. Постійно зростаючі вимоги до ультраширокого діапазону, малого розміру та високої продуктивності підводного акустичного виявлення вимагають поглиблених досліджень. Вимоги до розробки. З розвитком технології зменшення шуму кораблів у різних країнах рівень шуму кораблів і підводних цілей поступово знижувався. Підводна зброя та обладнання, таке як торпеди, здебільшого використовує широкосмугові підводні акустичні перетворювачі для розширення діапазону виявлення та покращення складної підводної акустики. Здатність виявлення і точність попадання на фоні реверберації підвищують здатність розпізнавання підводних цілей. Крім того, у відповідь на різні військово-морські сили, розвідувальні агентства, суб’єкти господарювання та навіть міжнародні терористичні організації, у розгортанні людей-жаб, автономних підводних апаратів (АНПА) та мікропідводних човнів для розвідки, диверсій, вибухів і мінування часто проводяться в невеликих операціях. Дистанційно керовані безпілотні підводні апарати (ROV) та інші підводні апарати оснащені різноманітною апаратурою виявлення для захисту безпеки, а до основних технічних показників їх гідролокаторів висуваються особливі вимоги. У цій статті, орієнтуючись на вимоги акустичного виявлення бульбашок сліду надводних кораблів, розроблено та розроблено модель із функціями прийому та передачі ультраширокого діапазону 3 ~ 100 кГц, які можуть проводити підводні акустичні вимірювання в реальному часі бульбашок сліду суден під великим кутом відкриття, і вимагає, щоб функції прийому та відправлення були незалежними одна від одної. І керована, загальна структура має бути компактною, фізичний розмір невеликим, і її легко встановити та використовувати на невеликому ПЗУ. З огляду на фактичні вимоги та фактичні умови роботи, основні технічні показники перетворювача, описаного в цій статті, такі: 1) Частота передачі становить 3~100 кГц, а частота прийому — 1~100 кГц. 2) Рівень джерела звуку ≥ 189 дБ. 3) Чутливість прийому ≥ -180 дБ. 4) Внутрішньосмугові коливання ≤ 6 дБ. 5) Ширина променя (горизонтальна) ≥ 90° (-3 дБ). 6) Ширина променя (по вертикалі) ≥ 70° (-3 дБ). 7) Глибина робочої води ≥ 500 м. 8) Розміри ≤ 350 мм × 150 мм × 250 мм. 9) Маса ≤ 10 кг. Серед них ROV є невеликою структурою виявлення, і її пропускна спроможність обмежена, тому перетворювач має бути якомога меншим, легким за вагою та простим у впровадженні відповідно до передумови досягнення показників ефективності.

 

2 Проектування та розробка перетворювача

 

2.1 Конструкція перетворювача та аналіз моделювання

The підводний циліндричний перетворювач відноситься до окремої конструкції приймально-передавального. Передавальний кінець реалізується за допомогою трьох композитних стрижневих передавальних перетворювачів, а відповідні діапазони частот становлять 3 ~ 18 кГц, 18 ~ 45 кГц, 45 ~ 100 кГц; приймальний кінець реалізований за допомогою 2 п’єзоелектричних керамічних кільцевих гідрофонів серії, а смуги частот відповідно це 1-40 кГц, 40-100 кГц. Вищезазначена основа передаючого та приймального перетворювача упакована як одне ціле, а всередині розроблена антиакустична перегородка. Після інтеграції упаковки загальна маса становить приблизно 9 кг. Загальна форма перетворювача являє собою неправильний прямокутний куб. Базовий розмір приблизно 310 мм × 150 мм × 220 мм. Зовнішній вигляд показаний на малюнку 1. Основний кабель можна підключити до зовнішнього електронного обладнання сонара у вигляді конекторів.

 

З огляду на основні технічні вимоги до підводного акустичного перетворювача в цій статті, у поєднанні з наведеною вище схемою проектування, виконується моделювання аналізу його характеристик передачі та прийому. Через складну структуру перетворювача, розробленого в цій статті, і широку смугу частот теоретичні методи аналізу непридатні для розрахунків і моделювання. Як ми всі знаємо, метод скінченних елементів є методом чисельного моделювання, який широко використовується в сучасній інженерній практиці. Використовуйте програмне забезпечення ANSYS для моделювання акваторії вільного поля та створення спрощеної моделі перетворювача. Виберіть точку в блоці дальнього поля безпосередньо перед передньою кришкою, щоб обчислити звуковий тиск, і тоді відповідь напруги передачі перетворювача може бути перетворена. У пристрої дальнього поля виберіть звуковий тиск у кожному напрямку на певній відстані вздовж центру перетворювача, щоб обчислити відкритий кут спрямованості випромінювання перетворювача. Оскільки композитний стрижневий перетворювач має аксіальну симетрію, для кінцево-елементного аналізу вибрано 2D осесиметричну модель кінцевих елементів. При використанні розрахунку ANSYS необхідно враховувати вплив води на перетворювач. Зазвичай еквівалентним ефектом є водне поло, а потім для розрахунку рішення застосовується навантаження. Модель перетворювача у воді показана на малюнках 2 і 3.

 

На малюнках 2 і 3 видно, що передавальні перетворювачі сконструйовані з піковою широкосмугою подвійного резонансу. Резонансні частоти блоку 3~18 кГц передавального перетворювача становлять 5 кГц, 14 кГц, резонансні частоти блоку 18~45 кГц — 20 кГц, 40 кГц, а резонансні частоти 45 ~ 100 кГц — 55 кГц. Блок 1-40 кГц приймального гідрофону використовує п’єзоелектричне кільце, а резонансна частота одного кільця перевищує 40 кГц, щоб забезпечити рівну робочу смугу частот. Внутрішня двопослідовна і двопаралельна структура покращує чутливість і стабільність; блок 40-100 кГц приймального гідрофону використовує п’єзоелектричний композитний матеріал, резонансна частота перевищує 100 кГц, щоб забезпечити однорідність смуги. У цій статті рівняння кінцевих елементів використовується як MU ¨ + CU · +KU = F (1) де: M – матриця мас; C – матриця демпфування; K – матриця жорсткості; U – вектор вузлового переміщення; F – вектор навантаження. Рівень відгуку напруги випромінювання TVR становить TVR = 20lg p RV + 120 (2) де: p - звуковий тиск вузла; R - відстань від вузла до еквівалентного центру джерела звуку; V - прикладена напруга. Витягніть звуковий тиск p вузла на акустичній осі в ANSYS і обчисліть криву реакції випромінювання перетворювача. У фактичній конструкції передавальна частина підводного акустичного перетворювача складається з трьох видів композитних стрижневих передавальних перетворювачів, які реалізують широкосмугове спрямоване випромінювання та одночасно пригнічують заднє випромінювання. Передавальний перетворювач охоплює широкий діапазон частот і в основному використовується для підводних акустичних вимірювань. Для забезпечення точності підводних акустичних вимірювань він повинен мати хорошу рівнинність у смузі. У техніці часто використовуються такі методи, як оптимізація розміру випромінювальної головки перетворювача або керування оптимізацією фази для зменшення флуктуацій у смузі, а також послідовний опір на п’єзоелектричній керамічній панелі до та після подвійного резонансу (або 'подвійного збудження') перетворювача випромінювання. , Для подальшого зменшення коливань характеристики напруги передачі перетворювача в робочому діапазоні частот. У цьому документі розглядаються розмір і якість перетворювача, встановленого на малому ПЗУ, а також загальна структура установки, і в основному використовується метод літератури для придушення внутрішньосмугових коливань передавального перетворювача, тобто метод регулювання опору узгоджувального резистора. Припускаючи, що послідовний опір передніх і задніх п’єзоелектричних керамічних пакетів всередині передавального перетворювача дорівнює R1 і R2 відповідно, значення опору R1 і R2 регулюються для контролю площинності передавального перетворювача в діапазоні. За допомогою кінцево-елементного аналізу моделюється відповідь на випромінювання передаючого перетворювача при різних значеннях опору. Взявши за приклад розроблений подвійний резонансний перетворювач 18~45 кГц, аналіз симуляції показує, що відгук передачі змінюється залежно від кривої значення опору, як показано на малюнку 4. На малюнку видно, що регулювання R1 і R2 може в основному контролювати однорідність у смузі частот передавального перетворювача. Оптимізувавши опори R1 і R2, можна зробити висновок, що коли R1=940 Ω , R2=330 Ω , він має кращу рівновартість у смузі. (Показано пунктирною лінією на малюнку 4), і загальна характеристика внутрішньосмугового випромінювання не сильно змінюється,

 

Він може відповідати вимогам конструкції, у поєднанні з фактичним фізичним розміром і узгодженням широкосмугового імпедансу, комплексне моделювання може отримати результати моделювання напруги передавача 3 ~ 18 кГц, 18 ~ 45 кГц і 45 ~ 100 кГц, як показано на малюнку 5-7. Це видно з рис. 5-7, що характеристика напруги передавача перетворювача становить не менше 140 дБ у смузі частот, що відповідає вимогам технічних показників, пов’язаних із введенням проекту, і може забезпечити більший рівень джерела звуку для підводного акустичного виявлення на великій відстані.

Приймальна частина гідроакустичного перетворювача реалізована комбінацією двох наборів гідрофонних решіток, кожна з яких використовує послідовне та паралельне з’єднання п’єзоелектричних керамічних кілець для досягнення направленого прийому. Серед них гідрофон діапазону частот 1-40 кГц виконаний у вигляді двох послідовно з'єднаних п'єзоелектричних керамічних кілець. Чутливість окремого гідрофона не менше -193 дБ, а чутливість гідрофона після послідовного з'єднання не менше -178 дБ. Результати аналізу моделювання чутливості показані на малюнку 8. Гідрофон не має горизонтальної спрямованості (можна застосувати спрямованість, що регулюється за допомогою перегородки), а вертикальна спрямованість 3 кГц становить приблизно 130 ° . Результати моделювання показані на малюнку 9. Вертикальна спрямованість 40 кГц становить приблизно 73 ° , а результати моделювання показані на малюнку 

 

 

11. Приймальна частина гідрофону в діапазоні частот 40 ~ 100 кГц має дві п'єзоелектричні керамічні кільцеві структури. Робоча частота може відповідати використанню 40~100 кГц, але чутливість низька. Після послідовного з'єднання чутливість гідрофона становить не менше -180 дБ. Результати моделювання чутливості такі, як показано на малюнку 11. Рівень гідрофону не має спрямованості (для регулювання спрямованості можна застосувати перегородку), а вертикальна спрямованість на 100 кГц становить приблизно 77 ° . Результати моделювання показані на малюнку 12

Відповідно до аналізу моделювання на основі методу скінченних елементів, комбінований перетворювач, розроблений у цій статті, може відповідати проектним вхідним вимогам щодо передачі та прийому, а основні технічні показники задовольняються.

 

 2.2 Розробка перетворювача

Комбінований широкосмуговий доступ сферичний підводний акустичний перетворювач встановлений на невеликому ПЗУ для використання. На основі задоволення потреб широкосмугового акустичного виявлення, він зосереджений на невеликих розмірах і легкій конструкції. У цьому документі, у поєднанні із загальною конструкцією невеликого ПЗУ, остаточно розроблений перетворювач показаний на малюнку 13. Конкретна структура конструкції показана на малюнку 14. Широкосмуговий комбінований підводний акустичний перетворювач, розроблений і розроблений у цій статті, охоплює діапазон частот передачі 3~100 кГц, смугу частот прийому 1~100 кГц, а загальна маса фізичного об’єкта становить 9,4 кг (у повітрі, включаючи кронштейн). і з’єднувальний кабель), розмір становить 328,5 мм × 140 мм × 240 мм, що менше, ніж вимоги до розміру та якості в проекті, зменшуючи вимоги до пропускної здатності ПЗУ. Перетворювач узгоджується та встановлюється на корпус ПЗП, а фактичний об’єкт після встановлення показаний на малюнку 15. Результати аналізу моделювання можна використовувати як еталонні вхідні дані, але в подальшому фактичному процесі розробки та налагодження його потрібно скоригувати відповідно до фактичної ситуації вимірювання, щоб відповідати вимогам фактичного використання.

 

3 Експериментальна перевірка

Передавальна частина широкосмугового комбінованого підводного акустичного перетворювача використовує 3 вертикальні блоки для формування робочої смуги частот, що охоплює 3~100 кГц, а приймальна частина приймає 2 незалежні блоки, щоб сформувати робочу смугу частот, що охоплює 1~100 кГц. Загальна схема передачі на обох кінцях і прийому в середині прийнята для забезпечення кута відкриття перетворювача. Антиакустична перегородка розроблена всередині перетворювача для зменшення внутрішнього відбиття та накладення акустичного сигналу. У той же час у приймальній частині використовується регульований опорний механізм, а висота приймального перетворювача обмежено регулюється відповідно до фактичної ситуації тестування, щоб ще більше розширити кут відкриття прийому, щоб уникнути оклюзії та відбиття корпусу перетворювача та корпусу ROV. Після завершення розробки для подальшого отримання фактичних робочих характеристик перетворювача, які відрізняються від незалежного методу випробування трансивера, який зазвичай використовується в лабораторії, тут використовується випробування загального індексу акустичних характеристик перетворювача. Тобто, після того, як усе встановлено на ROV, випробування бака перетворювача проводяться в імітації фактичних робочих умов, щоб додатково підтвердити, що перетворювач встановлено на ROV і на нього впливає структура ROV, щоб отримати фактичний робочий стан перетворювача. Реальні параметри продуктивності. Проведено комплексне тестування безехового басейну для перевірки реалізації його показників ефективності. Умови випробування басейну безехової води. температура навколишнього середовища становить 25 ℃ , довжина випробувального кабелю 3 м, глибина води 3 м, температура навколишньої води 20 ℃ , опір ізоляції 500 M Ω , статична ємність 51 000 пФ, відстань випробування 6,2 м. Фактичні результати вимірювань показані на рисунках 16

 

 

ROV використовується для встановлення широкосмугового комбінованого підводного акустичного перетворювача для виконання широкосмугового підводного акустичного виявлення бульбашок сліду надводного корабля та отримання відповідних акустичних характеристик бульбашок сліду та фізичного розміру сліду. У випробуванні на озері надводний корабель використовувався для здійснення високошвидкісної прямої навігації по водній поверхні. Корабель мав довжину 7,5 м, ширину 3 м і осадку 0,35 м. Пропелер зовнішнього двигуна знаходився під водою на глибині 0,8 м. Тестовою акваторією є відкрита ділянка озера, середня глибина ділянки 35 м, швидкість судна при проходженні точки вимірювання 10 вузлів. У цій статті ROV оснащено широкосмуговим комбінованим підводним акустичним перетворювачем для безперервного вимірювання. У повторних вимірюваннях для виявлення використовуються різні комбінації акустичних частот, і результати вимірювання розподілу бульбашок отримують, як показано на малюнку

 

 

На малюнку 18 видно, що фактичні вимірювання розміру бульбашки сліду судна зосереджені у високій щільності 10-20 мкм . Результат вимірювання відповідає найвищій щільності бульбашок у сліді, наведеному в літературі з радіусом 10-20 мкм , що доводить, що перетворювач . Пристрій відповідає вимогам випробувань у фактичному робочому середовищі. У той же час перетворювач використовується для безперервного вимірювання шару бульбашок у кільватері, який утворюється після того, як надводний корабель відпливе, і відповідно до отриманої інформації про цільову акустичну інтенсивність міхура в кільватері в поєднанні з поточним підводним акустичним середовищем (такими як швидкість звуку, глибина води тощо) і попередніми даними (такими як чутливість перетворювача, посилення рівня джерела звуку випромінювання тощо), оціненими відповідно до відповідного алгоритму обробки, і отримали криву міцності бульбашки з глибиною та часом, як показано на малюнку 19. На малюнку 19 видно, що тривалість бульбашки сліду становить близько 173 с, а фактична виміряна товщина бульбашки сліду становить 1,46 м, що в основному узгоджується з емпіричною формулою, отриманою за формулою звичайного розрахунку сліду. Підводячи підсумок, через загальний тест вимірювання в безеховій басейні результати вимірювань показують, що фактична продуктивність перетворювача в основному відповідає результатам моделювання. Він встановлений на платформі ROV і перевірений фактичним навігаційним випробуванням на озері. Результати випробувань показують, що перетворювач охоплює широкий діапазон частот, має невелику структуру, а результати вимірювань в основному відповідають емпіричним формулам. Дані вимірювань є достовірними та можуть відповідати вимогам до бульбашок сліду надводних кораблів.

 

 4 Висновок

 

 У цьому документі пропонується комбінований інтегрований метод проектування перетворювача з низькочастотним і високочастотним широкосмуговим діапазоном робочих частот, який характеризується тим, що передавальний кінець може охоплювати 3~100 кГц, приймальний кінець охоплює 1~100 кГц, а кут розкриття становить не менше 70 ° ; Прийняття окремого макета трансивера, передача на обох кінцях, прийом зосереджений у центрі, дизайн внутрішньої акустичної перегородки; внутрішні компоненти перетворювача інтегровані та виводяться через водонепроникний роз’єм, що зменшує складність зовнішніх з’єднань; За допомогою центральної опорної конструкції датчика можна регулювати загальний центр ваги датчика, що зручно для адаптації та встановлення невеликих підводних апаратів, таких як ROV; відкрите розташування датчика, механічне навантаження через металеву опору зменшує весь датчик. Якість і розмір пристрою покращують посадку. Цей перетворювач має такі переваги, як широка робоча смуга частот, більший кут розкриття та менша вага при обмеженні невеликих розмірів. Він був успішно застосований до невеликого ПЗУ, що вирішує проблему ультраширокосмугового підводного акустичного тестування на невеликій платформі ПЗУ. Має високу військову і цивільну цінність.