Проектирование схемы вождения и приема на основе подводного акустического преобразователя

Начиная с потребностей военных подводных коммуникаций и гражданских подводных коммуникаций, однонаправленный плоскийПодводной гидроакустический преобразовательс резонансной частотой 150 кГц была изготовлена, и схемы передатчика и приводного привода преобразователя были разработаны на основе принципа связи с точкой до точки. Подводной акустический преобразователь помещается в область воды и подключен к схеме, чтобы реализовать функцию подводной связи на дальнем расстоянии. Схема была протестирована на самопроизведенной экспериментальной платформе. Результаты испытаний показывают, что изготовленный преобразователь имеет более высокую реакцию напряжения эмиссии и чувствительность, единая направленность, а подводная акустическая цепь имеет регулируемую частоту, а связь является ясной и стабильной. Подводная акустическая связь может использоваться для военных и гражданских коммуникаций, и его легко перенести и переносить, и его легко отладить. Из -за поглощения электромагнитных волн, легких волн и других энергетических форм с помощью морской воды и существования глубоких моря \"Зоны конвергенции \", звуковые волны в настоящее время являются единственной известной формой энергии, которая может передавать сигналы по беспроводным расстояниям на длинных расстояниях под водой. Звуковые волны с частотой вибрации выше 20 кГц называются ультразвуковыми волнами. По сравнению с обычными звуковыми волнами ультразвуковые волны имеют лучшую направленность, более сильную проникающую силу и лучшую производительность отражения. Следовательно, они широко используются в передаче информации, обнаружении повреждений, на расстоянии и медицинских и медицинских областях. Но в процессе распространения потери энергии звуковой волны в водном канале увеличиваются с увеличением частоты, так что доступная полоса пропускания канала водоснабжения узкая, а информационная вместимость невелика. Следовательно, производительность передающей и принимающей схемы привода играет жизненно важную роль в качестве подводной акустической связи. В прошлом веке компания US Harris Acoustic Products, Франция и Соединенное Королевство, разработанные гидроакустические коммуникаторы, подходящие для подводных кораблей. Они использовали модуляцию с одной стороны и использовали гидрофоны большого объема в качестве окна \"для передачи и приема сигнала. Для достижения определенного расстояния подводной связи, но оборудование является сложным, преобразователь велик, а направленность недостаточно резкая, не подходит для гражданского использования; Собранная в систему аналоговой связи на основе программного обеспечения для обработки сигналов Linux, на канале симулятор дальнейших расстояний реализована, но идеальный канал проектирования отличается от фактического водного канала; Другие построили подводную систему связи, основанную на параллельном спектре разброса последовательностей комбинированной картины, используя DSP Chip в качестве модуля обработки информации, что реализуя подводную скрытую высокоскоростную передачу информации между платформами. Тем не менее, таймер 555 традиционно используется для генерации волны -носителя с определенной частотой вибрации для привода схемы привода преобразователя, а стабильность частоты формы волны относительно плохая; А недавно появляющаяся технология обработки чипов DSP имеет сложные алгоритмы и должна быть выполнена для разных вод. Сложная модификация расчета и компенсация не подходят для крупномасштабного продвижения в гражданской области. Кроме того, зонды, используемые в устройствах приемопередатчика сигнала схемы связи, которые были разработаны, недостаточно острые, мощность не концентрирована, а пропускная способность относительно узкая, что не способствует передаче сигнала и приема. Тем не менее, большинство ультразвуковых приемопередатчиков не подходят для работы водного канала и не могут удовлетворить фактические гражданские и военные потребности.

1) На основании небольшого объемаоднонаправленный подводной акустический преобразовательВ этой статье используются методы модуляции с двумя сторонами и когерентной демодуляции для разработки передачи и приема привода, подходящей для подводной связи. Подводная схема акустической связи имеет высокочастотную полосу использования и регулируемые частоты, подходящую для 0 кГц ~ 12. Датчик диапазона частот 5 МГц имеет расстояние до 100 метров. Схема передачи и движущей силы, схема приема и вождения, а также передача датчика и гидрофона в цепи вместе образуют набор системы гидроакустической связи. Система использует передатчик и гидрофон в качестве \"окна \" для обмена сигнала, использует STM32F103RCT6 и AD9833 в качестве источника сигнала носителя и объединяет соответствующие компоненты модема, чтобы наконец достичь стабильной и четкой связи.

1 Производство преобразователя

1-3 пьезоэлектрического составного материала относится к материалу, образованному одномерным подключенным пьезоэлектрическим керамическим колоннами, расположенными параллельно в трехмерном подключенном полимере. По сравнению с чистыми керамическими пьезоэлектрическими материалами 1-3 пьезоэлектрических композитных материалов, он оказывает лучшее влияние на обнаружение повреждений и производство передавающих и принимающих преобразователей. Следовательно, модуль приемопередатчика акустической волны в этой системе принимает плоский ультразвуковой преобразователь, изготовленный из 1-3 пьезоэлектрических композитных материалов, разработанный в лаборатории, который состоит из 1-3 пьезоэлектрического композитного плоского чувствительного элемента, водонепроницаемого звукового слоя, Электродный свинец и жесткий, состоящий из высококачественной пены и металлической крышки. Перед созданием преобразователя необходимо использовать программное обеспечение для моделирования конечных элементов ANSYS для архитектуры модели и расчета моделирования.

Моделирование 1-3 пьезоэлектрического композитного датчика

В программном обеспечении моделирования конечных элементов ANSYS сначала установите тип блока, плотность, соотношение Пуассона и модуль Янга эпоксидной смолы и установите плотность, матрицу жесткости, диэлектрическую постоянную матрицу и пьезоэлектрическую матрицу пьезоэлектрической керамики. Во-вторых, установите структуру модели 1-3 пьезоэлектрического составного материала: плоскость с длиной 100 мм, ширина 100 мм и толщину 10 мм, в которой ширина полимерной фазы составляет 0. 28 мм ширина пьезоэлектрической керамической колонки составляет 1. 44 мм, высота составляет 10 мм. Таким образом, объемная доля пьезоэлектрической керамической маленькой колонки PZT в композитном материале составляет 51. 84%. Поскольку модель составного материала 1-3 содержит двухфазные материалы, количество расчетов велика при выполнении расчета моделирования. Чтобы уменьшить количество расчетов, для расчета моделирования выбрана одна единица 1-3 пьезоэлектрического составного материала. Структурная схема модели 1-3 пьезоэлектрического композитного материала и трехмерной диаграммы пьезоэлектрической керамической колонки следующие:

1-3 Тип пьезоэлектрического композитного материала измельчаются, а граничные условия симметрии добавляются к границе вокруг оси Z (длины) элемента, а напряжение 1 В добавляется к верхней поверхности пьезоэлектрической керамики в положительном направлении ось z, z = 0 Добавьте напряжение 0 В на нижнюю поверхность. Установите тип частотного анализа и выберите диапазон частотного анализа (50 ~ 250 кГц) и количество шагов), а затем решайте и послепроцесс, Полученная диаграмма допуска показана на рисунке 2. На рисунке 2 можно увидеть, что преобразователь соответствует требованиям к частоте, а чувствительные компоненты могут быть сделаны в соответствии с установленными параметрами.

Пьезоэлектрический композитный датчик типа 1-3 изготовлен из пьезоэлектрических керамических блоков длиной 100 мм, шириной 100 мм и толщиной 10 мм. Разрежьте в направлении длины и ширины в соответствии с дизайном модели, а затем введйте эпоксидную смолу 618. После стоя в течение 24 часов выполните ту же режущуюся на обратной стороне, чтобы отполировать избыточной эпоксидной смолы в направлении толщины, чтобы сделать 1- 3 типа. Пьезоэлектрический композитный материал. Используйте спирт, чтобы очистить поверхность композитного материала, и нанесите серебряную пасту, чтобы компенсировать электрод, разрушенный, полируя эпоксидную смолу, и, наконец, сделайте 1-3 пьезоэлектрического композитного материала чувствительного элемента. Используйте анализатор импеданса Agilent 4294A, чтобы проверить чувствительные компоненты. Результаты испытаний показывают, что полоса пропускания датчика пьезоэлектрического составного материала типа 1-3 типа составляет 1, когда резонансная частота составляет 151 кГц. 71 кГц, акустический импеданс составляет 17. 47 PA · S/M3, значение проводимости составляет 104. 6 мс. Электромеханический коэффициент связи составляет 0. 68. Механический коэффициент качества составляет 88. 18. Результат испытаний чувствительного материала хорошо.

1.3 Изготовление высокочастотных однонаправленных плоскихПодводной гидроакустический датчикДобавьте графит в полиуретан, основным компонентом которого является эпоксидная смоля и перемешайте, чтобы сделать необходимый водонепроницаемый звуковой проницательный слой, и создайте плесень в соответствии с размером датчика для заливки и герметизации, и, наконец, создал высокочастотную однонаправленную плоскую плоскую плоскую плоскую плоскую преобразователь.

1. 4 Тест на производительность преобразователя

Проверка производительности преобразователя в основном включает в себя измерение его отклика напряжения передачи, получение чувствительности и производительности направления. Измерение направленности преобразователя обычно используется для рисования его схемы направления. Во время измерения тестируемый тестируемый датчик поворачивается для достижения цели измерения отклика датчика или получения чувствительности с помощью угла азимута, а затем направленная картина датчика получается после преобразования

2 конструкция цепи

Учитывая метод связи с точкой до точки и скорость использования мощности, в этой статье используется сигнальная модуляция с двумя сторонами (DSB) и когерентную демодуляцию. Принцип модуляции показан в уравнении (1): udsb = kuc (t) uω (t) (1) Принцип демодуляции показан в уравнении (2): UC (T) = UDSB (T) Uω (T) (2 ) Где: UDSB является модулированным сигналом; UC (T) - модулированный сигнал; uω (t) - сигнал носителя. Основной функцией схемы модуляции DSB является множитель, который использует сигнал носителя для передачи информации, переносимой сигналом базовой полосы. Во время демодуляции модулированный сигнал умножается на носитель той же частоты и фазы, а затем проходит через фильтр полос для получения исходного сигнала. Устройство преобразования энергии, необходимое для передачи сигнала, принимает плоский ультразвуковой преобразователь, сделанный в этой статье. Показан принцип системы передачи и приемной схемы привода.

2. 1 модуль цепи

Микрокомпьютер STM32F103RC использует ядро ​​Cortex-M3, а его максимальная скорость процессора составляет 72 МГц. По сравнению с 51 и 52 модельными микрокомпьютерами модели, скорость выполнения инструкции быстрее, объем меньше, а интеграция проста. AD9833 - это низкое энергопотребление,

Программируемый модуль генерации сигналов, который можно запрограммировать на генерацию синусов, квадратных и треугольных волн в определенном диапазоне частот. Порт FSYNC на нем представляет собой спусковой порт входного уровня, который служит синхронизацией кадров и включает сигнал. Когда FSYNC низкий, данные могут быть переданы. Кроме того, AD9833 имеет 16-битный регистр управления. Программируя регистр управления, AD9833 может работать в состоянии, требуемом пользователем. Использование модели STM32F103RC модели с одним чип-микрокомпьютером для управления модулем генерации сигналов AD9833 производит меньше искажения синусоидальных волн. Схема питается с помощью модуля питания переключения TPS5430, который может обеспечить стабильные напряжения 5 В и 12 В, избегая искажения и задержки передачи сигнала.

Когда внешний аудиосигнал входит в схему привода, он умножается на синусоидальную волну 150 кГц, генерируемую модулем генерации носителя в модуле множителя AD835 (этап модуляции с двумя посадочными полосами), а затем фильтры с полосовым проходом фильтруют часть Шум выходного сигнала множителя. Сгенерированный сигнал усиливается усилителем мощности, а затем подключается к передающему преобразователю, и, наконец, передающий датчик передает сигнал в воду. Модуляция с двумя сторонами может перемещать сигнал основной полосы на частоту носителей для достижения мультиплексирования и улучшения использования каналов; Во-вторых, он расширяет пропускную способность сигнала, улучшает противоположную способность системы и улучшает отношение сигнал / шум. В этой схеме вождения усилитель мощности усиливает сигнал для привлечения датчика к работе. Внешний аудиосигнал может быть музыкой, проводимой разъемом наушников электронного устройства, таким как мобильный телефон, или сигнал, преобразованный и проводимый внешним звуком через микрофон.

2. 3 схема приема и вождения

После того, как передающий преобразователь передает сигнал звуковой волны на водный канал, для приема сигнала в водном канале требуется соответствующая приводная цепь привода и восстановить исходный модулированный сигнал. Принцип работы приемной схемы привода, разработанный в этой статье. После того, как приемная схема привода получает сигнал в канале, он передается в фильтр высокого прохождения через высокочастотный провод, а шум, генерируемый цепью и смешивается в канале, удаляется. Затем этот сигнал и синусоидальный сигнал 150 кГц умножаются в модуле множителя AD835. Выход операции множителя передается в фильтр с полосатым проходом через коаксиальный высокочастотный кабель, и выбирается сигнал в требуемом диапазоне частот (стадия когерентной демодуляции). Наконец, модуль усилителя мощности TDA2030A используется для управления модулем динамика, а демодулированный сигнал воспроизводится в виде аудио. В этой системе как передача, так и цепь приема привода должны использовать модуль стабилизирующего напряжения TPS5430, чтобы обеспечить стабильную и стабильную работу напряжения каждого модуля, а фильтры являются активными фильтрами 4-го порядка. Волны с носителями, используемые в процессе модуляции и демодуляции, являются одной и той же частотой, которая генерируется активным модулем AD9833 после запрограммирования микроконтроллером STM32F103RC.

3 Экспериментальная проверка

3. 1 Проверка гидроакустической связи

Чтобы проверить функцию этой системы, в озере с радиусом около 100 м была проведена тест подводной акустической связи. Передача передатчика и преобразователь приемника

Приемники соответственно размещаются на двух сторонах озера в направлении диаметра, соответственно подключенные к цепи передачи и приводной цепи. Поскольку частота человеческого голоса, как правило, находится в диапазоне 8-10 кГц, включая множество компонентов овертон, аудиосигнал песни случайным образом выбирается в качестве сигнала модуляции. Сигнал отображается осциллографом, исходный сигнал аудио модуляции показан на рисунке 7 (а), а выход сигнала 150 кГц с помощью AD9833 показан на рисунке 7 (b)

Сигнал носителя и сигнал аудио модуляции вводятся в множитель для выполнения предварительной модуляции. После измерения осциллографом выходной сигнал множителя показан на рисунке 8.

Согласно частотному отображению на рисунке 8, он соответствует закону модуляции с двумя сторонами. Выходной сигнал мультипликатора вводится в усилитель мощности через коаксиальный кабель, а мощность сигнала увеличивается в меньшем диапазоне искажений для привлечения датчика для вывода сигнала. Вход преобразователя передачи, отображаемый осциллографом. Сигнал показан на рисунке 9.

На рисунке 9 можно наблюдать, что заусенство исчезло, то есть шум, генерируемый схемой, был отфильтрован. Приемный преобразователь, то есть гидрофон, получает сигнал от канала, как показано на рисунке 10.

Сигнал, полученный гидрофоном, содержит аудиосигналы, шум и часть наложенного сигнала, вызванного эффектом многолучевого распространения в канале, что приводит к глюкам и перекрытиям в некоторых формах сигнала. После того, как принятый сигнал фильтруется фильтром с высокой частотой для удаления низкочастотного шума и наложенных сигналов, он демодулируется синусоидальной волной 150 кГц в системе, состоящей из множителя и фильтра с полосатым проходом для восстановления исходного сигнала основной полосы базовой полосы и динамик управляется модулем усилителя мощности TDA2030A. Оригинальный аудиосигнал транслируется без искажений. Автомобильный сигнал вещания - это оригинальный музыкальный сигнал. Аудиосигнал, восстанавливаемый приемной схемой привода, показан в нижней форме волны на рисунке 11.

На рисунке 11 показано сравнение двух сигналов. Верхняя часть показывает сигнал, полученный гидрофоном, а нижняя часть - восстановленная форма волны звука. Эффект восстановления звука хорош. Формы волны исходного аудиосигнала и восстановленного аудиосигнала сравниваются и сравниваются с исходным аудио и фактическим качеством звука. Результат показывает, что система может управлять высокочастотным однонаправленным планарным гидроакустическим датчиком на 150 кГц. Аудиосигнал может передаваться с высоким качеством, а звук на конце вещания ясен и стабилен.

3. 2 Проверка регулировки частоты

После проверки того, что система и соответствующий преобразователь работают и нормально функционируют, проводится второй эксперимент для проверки регулируемости частоты системы. Программируйте модуль генерации сигналов, чтобы изменить его в соответствии с преобразователем 300 кГц, сделанным в лаборатории. Проверьте эффект передачи сигнала. Сигнал аудио модуляции показан на рисунке 12 (а), а недавно восстановленный аудиосигнал показан на рисунке 12 (б).

Сигнальная форма волны, обнаруженная осциллографом, представляет переданный аудиосигнал. На рисунке 12 (b) верхняя часть является сигналом, полученным гидрофоном, а нижняя часть - восстановленная форма волны аудиосигнала. Сравнивая и анализируя входные и выходные аудиосигналы системы, можно видеть, что система может передавать аудиосигналы с высоким качеством, то есть система может адаптироваться к сигналам различных резонансных частот в определенном диапазоне частот.

3. Анализ индекса производительности

Прежде всего, при условии высокочастотной точной передачи информации расстояние размножения этой системы составляет более 100 м при 150 кГц, что намного превышает расстояние подводной акустической связи менее 100 метров, достигнутых многими подводными системами связи За счет качества передачи сигнала. Во -вторых, с точки зрения производительности полосы пропускания информации о передаче, по сравнению со многими подводными акустическими системами связи с пропускной способностью около 200 Гц на рынке, пропускная способность передачи этой системы может достигать 1. 71 кГц, что в значительной степени избегает искажения Аудиосигналы во время общения. Наконец, с точки зрения качества голосовой связи, ясность голоса транслировалась последним приемным концом в качестве стандарта измерения. По сравнению со многими оборудованием для голосовой связи гражданской воды с большим шумом и неясными сигналами, система испытывается в тех же условиях озера. Аудио чистое и стабильное.

4. Вывод

В этой статье разрабатывается набор подводной акустической связи на основе практического применения связи с точкой и подводной акустической связи. Прежде всего, на основе соответствующих теорий конструкции преобразователя и результатов лаборатории, структура преобразователя моделируется программным обеспечением для моделирования конечных элементов ANSYS, а метод резки и заполнения выполняется с использованием высокоэффективного чувствительного материала. PZT5-A В качестве пьезоэлектрического керамического функционального материала, эпоксидная смоля 618 является полимерной фазой, заполняя зазор пьезоэлектрического колонны, чтобы сделать однонаправленный пьезоэлектрический гидроакустический транс-преобразователь типа 1-3. Затем в системе связи использовался изготовленный преобразователь, и была разработана подводная акустическая связь со стабильной структурой и четкой связи. Эта схема может реализовать эффективную подводную связь, а также из-за конструкции схемы модуляции и демодуляции и регулируемой частоты сигнала носителя, цепь также может быть сопоставлена ​​с ультразвуковым зондом, чтобы реализовать функции обнаружения и расстояния на расстоянии. измерение.