Розробка схеми приводу та прийому на основі підводного акустичного перетворювача

Виходячи з потреб військового підводного зв'язку і цивільного підводного зв'язку, односпрямований планар виготовлено підводний гідроакустичний перетворювач з резонансною частотою 150 кГц, а схеми приводу передавача та приймача розроблено за принципом зв’язку «точка-точка». Підводний акустичний перетворювач розміщується в акваторії та підключається до схеми для реалізації функції підводного зв’язку на великій відстані. Схема була випробувана на власноруч розробленій експериментальній платформі. Результати випробувань показують, що виготовлений перетворювач має вищу реакцію на напругу випромінювання та чутливість, єдину спрямованість, а схема підводного акустичного зв’язку має регульовану частоту, а зв’язок є чітким та стабільним. Підводний акустичний зв’язок може використовуватися для військового та цивільного зв’язку, його легко переміщувати та носити, а також легко налагодити. Через поглинання електромагнітних хвиль, світлових хвиль та інших форм енергії морською водою та існування глибоководних «зон конвергенції» звукові хвилі наразі є єдиною відомою формою енергії, яка може передавати сигнали без проводів на великі відстані під водою. Звукові хвилі з частотою коливань понад 20 кГц називають ультразвуковими хвилями. У порівнянні зі звичайними звуковими хвилями ультразвукові хвилі мають кращу спрямованість, сильнішу проникаючу здатність і кращі характеристики відбиття. Тому вони широко використовуються в передачі інформації, виявленні пошкоджень, дистанційному тестуванні, а також у сферах медицини та охорони здоров’я. Але в процесі розповсюдження втрати енергії звукової хвилі у водному каналі зростають зі збільшенням частоти, так що доступна смуга пропускання водного каналу є вузькою, а інформаційна ємність невеликою. Таким чином, продуктивність передавальної та приймальної схеми приводу відіграє життєво важливу роль у якості підводного акустичного зв’язку. У минулому столітті американська компанія Harris Acoustic Products Company, Франція та Велика Британія розробили гідроакустичні комунікатори, придатні для підводного зв'язку кораблів. Вони використовували односмугову модуляцію та використовували гідрофони великого об’єму як «вікно» для передачі та прийому сигналу. , Для досягнення певної відстані підводного зв’язку, але обладнання складне, перетворювач великий, а спрямованість недостатньо чітка, не підходить для цивільного використання; Зібрана в аналогову систему зв’язку на основі програмного забезпечення для обробки сигналів Linux, на симуляторі каналу Реалізується міжміський зв’язок, але ідеальний проектний канал відрізняється від фактичного водного каналу; інші побудували систему підводного зв’язку на основі паралельного комбінованого розширеного спектру послідовності відображення, використовуючи чіп DSP як модуль обробки інформації, таким чином реалізуючи підводну приховану високошвидкісну передачу інформації між платформами. Однак таймер 555 традиційно використовується для генерації несучої хвилі з певною частотою вібрації для керування ланцюгом приводу перетворювача, і стабільність частоти згенерованої форми сигналу відносно низька; і нещодавно з’явилася технологія обробки чіпів DSP має складні алгоритми, і її потрібно застосовувати для різних вод. Складна модифікація розрахунків і компенсація не підходять для масштабного просування в цивільній сфері. Крім того, зонди, які використовуються в комунікаційних ланцюгах пристроїв прийому сигналів, які були розроблені, недостатньо гострі, потужність не зосереджена, а смуга пропускання відносно вузька, що не сприяє передачі та прийому сигналу. Однак більшість ультразвукових трансиверів не підходять для експлуатації водних каналів і не можуть задовольнити реальні цивільні та військові потреби.

 

1) На основі малого обсягу односпрямований підводний акустичний перетворювач , у цьому документі використовуються методи двосмугової модуляції та когерентної демодуляції для розробки схеми приводу передачі та приймання, придатної для підводного зв’язку. Схема підводного акустичного зв’язку має використання високочастотного діапазону та частоту регулювання, придатну для 0 кГц ~ 12. Перетворювач частотного діапазону 5 МГц має відстань зв’язку до 100 метрів. Передавальний і керуючий контур, приймальний і керуючий контур, а також передавальний перетворювач і гідрофон у контурі разом утворюють набір гідроакустичної системи зв'язку. Система використовує передавач і гідрофон як «вікно» для обміну сигналами, використовує STM32F103RCT6 і AD9833 як джерело несучого сигналу та поєднує відповідні компоненти модему для досягнення стабільного та чіткого зв’язку.

 

1 Виробництво перетворювача

 

П’єзоелектричний композитний матеріал 1-3 відноситься до матеріалу, утвореного одновимірними з’єднаними п’єзоелектричними керамічними колонами, розташованими паралельно в тривимірному з’єднаному полімері. У порівнянні з чистими керамічними п’єзоелектричними матеріалами 1-3 п’єзоелектричними композитними матеріалами, він має кращий ефект у виявленні пошкоджень і виробництві передавальних і приймальних перетворювачів. Таким чином, модуль приймача акустичної хвилі цієї системи використовує планарний ультразвуковий перетворювач, виготовлений з 1-3 п’єзоелектричних композитних матеріалів, розроблених у лабораторії, який складається з 1-3 п’єзоелектричних композитних планарних чутливих елементів, водонепроникного звукопроникного шару, електродного проводу та жорсткого високоякісного пінопласту та металевого покриття. Перед виготовленням перетворювача необхідно використати програмне забезпечення моделювання кінцевих елементів ANSYS для архітектури моделі та розрахунку моделювання.

 

Моделювання 1-3 п'єзоелектричних композитних датчиків

 

У програмі моделювання кінцевих елементів ANSYS спочатку встановіть тип одиниці, щільність, коефіцієнт Пуассона та модуль Юнга епоксидної смоли, а також установіть щільність, матрицю жорсткості, матрицю діелектричної проникності та п’єзоелектричну матрицю п’єзоелектричної кераміки. По-друге, задайте структуру моделі п’єзоелектричного композиційного матеріалу 1-3: площина довжиною 100 мм, шириною 100 мм і товщиною 10 мм, в якій ширина полімерної фази 0,28 мм, ширина п’єзокерамічного стовпа 1,44 мм, висота 10 мм. Таким чином, об’ємна частка малої п’єзоелектричної керамічної колонки PZT у композиційному матеріалі становить 51,84%. Оскільки модель композиційного матеріалу 1-3 містить двофазні матеріали, кількість розрахунку є великою, коли виконується обчислення моделювання. Щоб зменшити кількість розрахунків, для розрахунку моделювання вибирається одна одиниця п’єзоелектричного композитного матеріалу 1-3. Структурна схема моделі п’єзоелектричного композитного матеріалу 1-3 і тривимірна діаграма п’єзоелектричної керамічної колони є такими:

Елементи з п’єзоелектричного композитного матеріалу типу 1-3 об’єднані в сітку, граничні умови симетрії додаються до межі навколо осі Z (довжина) елемента, а напруга 1 В додається до верхньої поверхні п’єзоелектричної кераміки в позитивному напрямку осі Z, Z = 0. Додайте напругу 0 В до нижньої поверхні. Встановіть тип частотного аналізу та виберіть діапазон частотного аналізу (50 ~ 250 кГц) і кількість кроків), а потім розв’язати та виконати постобробку, отримана діаграма адмітансу показана на малюнку 2. На малюнку 2 видно, що перетворювач відповідає вимогам до частоти, а чутливі компоненти можна виготовляти відповідно до заданих параметрів.

 

П'єзоелектричний композитний датчик типу 1-3 виготовляється з п'єзоелектричних керамічних блоків довжиною 100 мм, шириною 100 мм і товщиною 10 мм. Розріжте в напрямку довжини та ширини відповідно до конструкції моделі, а потім впорсніть епоксидну смолу 618. Після 24 годин витримки виконайте такий же розріз на зворотному боці, щоб відшліфувати надлишок епоксидної смоли в напрямку товщини, щоб отримати тип 1-3. П'єзоелектричний композитний матеріал. Використовуйте спирт, щоб очистити поверхню композитного матеріалу, і нанесіть срібну пасту, щоб компенсувати електрод, зруйнований поліруванням епоксидної смоли, і, нарешті, зробіть 1-3 п’єзоелектричний композитний матеріал чутливим елементом. Для перевірки чутливих компонентів використовуйте аналізатор імпедансу Agilent 4294A. Результати тестування показують, що смуга пропускання датчика з п’єзоелектричного композитного матеріалу типу 1-3 дорівнює 1, коли резонансна частота становить 151 кГц. 71 кГц, акустичний опір 17,47 Па·с/м3, значення провідності 104,6 мСм, коефіцієнт електромеханічного зв’язку 0,68. Коефіцієнт механічної добротності 88. 18. Результат випробування чутливого матеріалу хороший.

 

1.3 Виготовлення високочастотного однонаправленого планара підводний гідроакустичний перетворювач Додайте графіт до поліуретану, основним компонентом якого є епоксидна смола, і перемішайте, щоб створити необхідний водонепроникний звукопроникний шар, і зробіть форму відповідно до розміру перетворювача для заливки та герметизації. І, нарешті, створіть високочастотний односпрямований планарний підводний акустичний перетворювач.

 

1. 4 Перевірка продуктивності перетворювача

Перевірка продуктивності перетворювача в основному включає вимірювання його характеристики напруги передачі, чутливості прийому та характеристики спрямованості. Вимірювання спрямованості перетворювача зазвичай використовується для побудови його діаграми спрямованості. Під час вимірювання перетворювач, що перевіряється, обертається, щоб досягти мети вимірювання відповіді датчика на надсилання або чутливості прийому з кутом азимута, а потім діаграма спрямованості перетворювача отримується після перетворення

 

2 Схемопроектування

 

Враховуючи метод зв’язку «точка-точка» та рівень використання потужності, у цій статті використовується двосмугова (DSB) модуляція сигналу та когерентна демодуляція. Принцип модуляції показано в рівнянні (1): uDSB = Kuc (t) uΩ (t) (1) Принцип демодуляції показано в рівнянні (2): uc (t) = uDSB (t) uΩ (t) ( 2) Де: uDSB – модульований сигнал; uc (t) – модульований сигнал; uΩ (t) – несучий сигнал. Основною функцією схеми модуляції DSB є помножувач, який використовує несучий сигнал для передачі інформації, що передається сигналом основної смуги частот. Під час демодуляції модульований сигнал множиться на несучу тієї ж частоти та фази, а потім пропускається через смуговий фільтр для отримання вихідного сигналу. Пристрій перетворення енергії, необхідний для передачі сигналу, використовує плоский ультразвуковий перетворювач, виготовлений у цій статті. Показано принцип роботи системи передавального та приймального приводів.

 

2. 1 Схемний модуль

Однокристальний мікрокомп'ютер STM32F103RC використовує ядро ​​Cortex-M3, а його максимальна частота процесора становить 72 МГц. У порівнянні з однокристальними мікрокомп’ютерами моделей 51 і 52 швидкість виконання інструкцій вища, обсяг менший, а інтеграція проста. AD9833 - це низьке енергоспоживання,

програмований модуль генерації сигналів, який можна запрограмувати на генерацію синусоїдальних, квадратних і трикутних хвиль у певному діапазоні частот. Порт FSYNC на ньому є портом тригера вхідного рівня, який служить для кадрової синхронізації та сигналу включення. Коли FSYNC низький, дані можна передавати. Крім того, AD9833 має 16-розрядний регістр управління. За допомогою програмування регістру керування AD9833 може працювати в стані, який вимагає користувач. Використання однокристального мікрокомп’ютера моделі STM32F103RC для керування модулем генерації сигналу AD9833 створює менші спотворення синусоїдальної хвилі. Схема живиться від модуля імпульсного джерела живлення TPS5430, який може забезпечити стабільну напругу 5 В і 12 В, уникаючи спотворень і затримок передачі сигналу.

 

Коли зовнішній аудіосигнал надходить у схему приводу, він помножується на синусоїду 150 кГц, згенеровану модулем генерації несучої в модулі помножувача AD835 (крок двосмугової модуляції), а потім смуговий фільтр відфільтровує частину шуму вихідного сигналу помножувача. Згенерований сигнал посилюється підсилювачем потужності, а потім підключається до передавального перетворювача, і, нарешті, передавальний перетворювач передає сигнал у воду. Двостороння смугова модуляція може перемістити базовий сигнал на несучу частоту для досягнення мультиплексування та покращення використання каналу; по-друге, він розширює смугу пропускання сигналу, покращує здатність системи проти перешкод і покращує співвідношення сигнал/шум. У цій керуючій схемі підсилювач потужності підсилює сигнал для запуску перетворювача. Зовнішній аудіосигнал може бути музикою, що передається через гніздо для навушників електронного пристрою, наприклад мобільного телефону, або сигналом, перетвореним і проведеним зовнішнім звуком через мікрофонний модуль.

 

2. 3 Приймально-привідна схема

Після того, як передавальний перетворювач передає сигнал звукової хвилі у водний канал, потрібна відповідна приймальна схема приводу, щоб отримати сигнал у водному каналі та відновити вихідний модульований сигнал. Принцип роботи схеми приймального приводу розроблений у цій статті. Після того, як приймальна схема приводу отримує сигнал у каналі, він передається на фільтр високих частот через високочастотний дріт, і шум, створений схемою та змішаний у каналі, видаляється. Потім цей сигнал і синусоїда 150 кГц перемножуються в модулі помножувача AD835. Вихід роботи помножувача передається на смуговий фільтр по коаксіальному високочастотному кабелю, і вибирається сигнал в необхідному діапазоні частот (крок когерентної демодуляції). Нарешті, модуль підсилювача потужності TDA2030A використовується для керування модулем гучномовця, а демодульований сигнал відтворюється у формі аудіо. У цій системі як схема приводу передачі, так і схема приводу прийому повинні використовувати модуль стабілізації напруги TPS5430, щоб забезпечити стабільну та стабільну роботу напруги кожного модуля, а всі фільтри є активними фільтрами 4-го порядку. Несучі хвилі, що використовуються в процесі модуляції та демодуляції, мають однакову частоту, яка генерується активним модулем AD9833 після програмування мікроконтролером STM32F103RC.

 

3 Експериментальна перевірка

3. 1 Перевірка гідроакустичної зв'язку

Щоб перевірити роботу цієї системи, було проведено випробування підводного акустичного зв’язку в озері радіусом близько 100 м. Передайте перетворювач передавача та перетворювач приймача

Приймачі відповідно розміщені з обох боків озера в напрямку діаметра, відповідно з'єднані з передавальною схемою приводу та приймальною схемою приводу. Оскільки частота людського голосу зазвичай знаходиться в діапазоні 8-10 кГц, включаючи багато компонентів обертону, звуковий сигнал пісні випадково вибирається як сигнал модуляції. Сигнал відображається за допомогою осцилографа, вихідний сигнал модуляції аудіо показаний на малюнку 7(a), а вихідний сигнал несучої частоти 150 кГц AD9833 показаний на малюнку 7(b).

Несучий сигнал і звуковий сигнал модуляції вводяться в помножувач для виконання попередньої модуляції. Після вимірювання осцилографом вихідний сигнал помножувача показаний на малюнку 8.

Відповідно до відображення частоти на малюнку 8, вона відповідає закону двосмугової модуляції. Вихідний сигнал помножувача вводиться в підсилювач потужності через коаксіальний кабель, і потужність сигналу збільшується в меншому діапазоні спотворень, щоб перетворювач виводив сигнал. Вхід датчика передачі, який відображається осцилографом. Сигнал показаний на малюнку 9.

На малюнку 9 видно, що задирки зникли, тобто шум, створюваний контуром, відфільтровано. Приймальний перетворювач, тобто гідрофон, приймає сигнал із каналу, як показано на малюнку 10.

Сигнал, отриманий гідрофоном, містить аудіосигнали, шум і частину накладеного сигналу, спричиненого ефектом багатопроменевого поширення в каналі, що призводить до збоїв і накладень у деяких формах сигналу. Після того, як отриманий сигнал фільтрується високочастотним фільтром для видалення низькочастотного шуму та накладених сигналів, він демодулюється синусоїдальним сигналом 150 кГц у системі, що складається з помножувача та смугового фільтра, щоб відновити початковий базовий сигнал, а динамік керується модулем підсилювача потужності TDA2030A. Оригінальний аудіосигнал транслюється без спотворень. Аудіосигнал трансляції є оригінальним музичним сигналом. Аудіосигнал, відновлений приймальною схемою приводу, показаний у нижній формі сигналу на малюнку 11.

На малюнку 11 показано порівняння двох сигналів. Верхня частина показує сигнал, отриманий гідрофоном, а нижня частина - відновлену форму звукового сигналу. Ефект відновлення звуку хороший. Осцилограми вихідного аудіосигналу та відновленого аудіосигналу порівнюються з оригінальним аудіо та фактичною якістю аудіосигналу. Результат показує, що система може керувати високочастотним односпрямованим планарним гідроакустичним перетворювачем 150 кГц. Аудіосигнал можна передавати з високою якістю, а звук наприкінці трансляції є чистим і стабільним.

 

3. 2 Перевірка настроюваності частоти

Після перевірки того, що система та відповідний перетворювач працюють і функціонують нормально, виконується другий експеримент, щоб перевірити можливість регулювання частоти системи. Запрограмуйте модуль генерації сигналу, щоб модифікувати його відповідно до перетворювача 300 кГц, виготовленого в лабораторії. Перевірте ефект передачі сигналу. Аудіосигнал модуляції показаний на малюнку 12(a), а щойно відновлений аудіосигнал показаний на малюнку 12(b).

Форма сигналу, визначена осцилографом, представляє переданий аудіосигнал. На малюнку 12(b) верхня частина – сигнал, отриманий гідрофоном, а нижня – відновлена ​​форма хвилі звукового сигналу. Порівнюючи та аналізуючи вхідні та вихідні аудіосигнали системи, можна побачити, що система може передавати аудіосигнали з високою якістю, тобто система може адаптуватися до сигналів різних резонансних частот у певному діапазоні частот.

 

3. Аналіз індексу ефективності

Перш за все, за умови високочастотної точної передачі інформації відстань поширення цієї системи становить понад 100 м при 150 кГц, що значно перевищує відстань підводного акустичного зв’язку менше 100 метрів, досягнуту багатьма системами підводного зв’язку за рахунок якості передачі сигналу. По-друге, з точки зору продуктивності пропускної здатності передачі інформації, порівняно з багатьма підводними акустичними системами зв’язку із смугою пропускання близько 200 Гц на ринку, пропускна здатність цієї системи може досягати 1,71 кГц, що значною мірою дозволяє уникнути спотворення аудіосигналів під час зв’язку. Нарешті, з точки зору якості голосового зв'язку, чіткість голосу, переданого останньою приймальною стороною, використовується як стандарт вимірювання. Порівняно з багатьма цивільними засобами голосового зв’язку з водою з великим шумом і нечіткими сигналами, система тестується в тих самих умовах озера. Звук чистий і стабільний.

 

4 Висновок

У цій статті розроблено набір ланцюгів підводного акустичного зв’язку на основі практичного застосування зв’язку «точка-точка» та підводного акустичного зв’язку. Перш за все, на основі відповідних теорій проектування перетворювача та результатів лабораторії, структура перетворювача моделюється за допомогою програмного забезпечення моделювання кінцевих елементів ANSYS, а метод різання та заповнення виконується за допомогою високопродуктивного чутливого матеріалу PZT5-A як п’єзоелектричної керамічної функціональної фази матеріалу, епоксидна смола 618 є полімерною фазою, яка заповнює проміжок п’єзоелектричного. колонка для виготовлення односпрямованого п'єзоелектричного композитного гідроакустичного планарного перетворювача типу 1-3. Потім виготовлений перетворювач використовувався в системі зв'язку, і була розроблена схема підводного акустичного зв'язку зі стабільною структурою та чітким зв'язком. Ця схема може реалізовувати ефективний підводний зв’язок, а завдяки конструкції схеми модуляції та демодуляції та регульованій частоті несучого сигналу, схему також можна узгодити з ультразвуковим зондом для реалізації функцій далекої дефектоскопії та вимірювання відстані.