Diseño de circuito de conducción y recepción basado en transductor acústico submarino

Comenzando a partir de las necesidades de las comunicaciones submarinas militares y las comunicaciones civiles submarinas, un plano solo direccionaltransductor hidroacústico submarinoCon una frecuencia de resonancia de 150 kHz, se fabricó, y los circuitos transmisor y de accionamiento del receptor del transductor se diseñaron en base al principio de comunicación punto a punto. El transductor acústico submarino se coloca en el área de agua y se conecta al circuito para realizar la función de comunicación submarina de larga distancia. El circuito se probó en una plataforma experimental autodesignada. Los resultados de la prueba muestran que el transductor fabricado tiene una mayor respuesta de voltaje de emisión y sensibilidad, directividad única y el circuito de comunicación acústica submarina tiene frecuencia ajustable, y la comunicación es clara y estable. El circuito de comunicación acústica submarina se puede utilizar para comunicaciones militares y civiles, y es fácil de mover y llevar, y fácil de depurar. Debido a la absorción de ondas electromagnéticas, ondas de luz y otras formas de energía por agua de mar y la existencia de mares profundos \"zonas de convergencia\", las ondas de sonido son actualmente la única forma de energía conocida que puede transmitir señales de forma inalámbrica a largas distancias bajo el agua. Las ondas de sonido con una frecuencia de vibración por encima de 20 kHz se llaman ondas ultrasónicas. En comparación con las ondas de sonido ordinarias, las ondas ultrasónicas tienen una mejor directividad, un poder penetrante más fuerte y un mejor rendimiento de reflexión. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en transmisión de información, detección de daños, pruebas de distancia y campos médicos y de salud. Pero en el proceso de propagación, la pérdida de energía de la onda de sonido en el canal de agua aumenta con el aumento de la frecuencia, de modo que el ancho de banda disponible del canal de agua es estrecha y la capacidad de información es pequeña. Por lo tanto, el rendimiento del circuito de transmisión y recepción de la unidad juega un papel vital en la calidad de la comunicación acústica submarina. En el siglo pasado, la empresa estadounidense de productos acústicos de Harris, Francia, y el Reino Unido desarrollaron comunicadores hidroacústicos adecuados para las comunicaciones submarinas de barcos. Utilizaron la modulación de la banda de un solo lado y usaron hidrófonos de gran volumen como la \"ventana\" para la transmisión y la recepción de la señal. , Para lograr una cierta distancia de comunicación submarina, pero el equipo es complejo, el transductor es grande y la directividad no es lo suficientemente aguda, no es adecuada para el uso civil; Ensamblado en un sistema de comunicación analógica basado en el software de procesamiento de señal de Linux, en el simulador del canal se realiza la comunicación a larga distancia, pero el canal de diseño ideal es diferente del canal de agua real; Otros han creado un sistema de comunicación submarina basado en el espectro de secuencia de secuencia de mapeo combinado paralelo, utilizando el chip DSP como el módulo de procesamiento de información, realizando así la transmisión de información de alta velocidad oculta bajo el agua entre plataformas. Sin embargo, el temporizador 555 se usa tradicionalmente para generar una onda portadora con una frecuencia de vibración específica para impulsar el circuito de accionamiento del transductor, y la estabilidad de frecuencia de forma de onda generada es relativamente pobre; Y la tecnología de procesamiento de chips DSP recientemente emergente tiene algoritmos complejos y debe llevarse a cabo para diferentes aguas. La complicada modificación y compensación de cálculo no son adecuadas para la promoción a gran escala en el campo civil. Además, las sondas utilizadas en los dispositivos de transceptor de señal del circuito de comunicación que se han desarrollado no son lo suficientemente agudos, la potencia no se concentra y el ancho de banda es relativamente estrecho, lo que no conduce a la transmisión y la recepción de señales. Sin embargo, la mayoría de los transceptores ultrasónicos no son adecuados para la operación del canal de agua y no pueden satisfacer las necesidades civiles y militares reales.

1) Basado en un pequeño volumentransductor acústico submarino unidireccional, este documento utiliza modulación de banda de doble parte y métodos de demodulación coherentes para desarrollar un circuito de transmisión y recepción de transmisión adecuada para la comunicación submarina. El circuito de comunicación acústica submarina tiene una utilización de banda de alta frecuencia y ajustable de frecuencia, adecuado para 0 kHz ~ 12. El transductor de rango de frecuencia de 5 MHz tiene una distancia de comunicación de hasta 100 metros. El circuito de transmisión y conducción, el circuito de recepción y conducción, y el transductor de transmisión y el hidrófono en el circuito juntos forman un conjunto de sistema de comunicación hidroacústica. El sistema utiliza el transmisor y el hidrófono como la \"ventana \" para el intercambio de señales, utiliza STM32F103RCT6 y AD9833 como fuente de señal portadora, y combina los componentes módem relevantes para finalmente lograr una comunicación estable y clara.

1 producción de transductor

El material compuesto piezoeléctrico 1-3 se refiere a un material formado por columnas de cerámica piezoeléctrica conectadas unidimensionales dispuestas en paralelo en un polímero conectado tridimensional. En comparación con los materiales piezoeléctricos de cerámica puro 1-3 materiales compuestos piezoeléctricos, tiene mejores efectos en la detección de daños y la producción de transductores de transmisión y recepción. Por lo tanto, el módulo de transceptor de onda acústica de este sistema adopta un transductor ultrasónico plano hecho de 1-3 materiales compuestos piezoeléctricos desarrollados en el laboratorio, que está compuesto por un elemento sensible plano compuesto piezoeléctrico 1-3, una capa perpetable de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, una capa de sonido impermeable, un cable de electrodo y un rígido compuesto de espuma de alta calidad y cubierta de metal. Antes de hacer el transductor, es necesario utilizar el software de simulación de elementos finitos ANSYS para la arquitectura del modelo y el cálculo de la simulación.

Simulación de 1-3 sensor compuesto piezoeléctrico

En el software de simulación de elementos finitos ANSYS, primero establece el tipo de unidad, la densidad, la relación de Poisson y el módulo de Young de la resina epoxi, y establezca la densidad, la matriz de rigidez, la matriz constante dieléctrica y la matriz piezoeléctrica de la cerámica piezoeléctrica. En segundo lugar, establezca la estructura del modelo de material compuesto piezoeléctrico 1-3: un plano con una longitud de 100 mm, un ancho de 100 mm y un espesor de 10 mm, en el que el ancho de la fase de polímero es de 0. 28 mm , El ancho de la columna de cerámica piezoeléctrica es 1. 44 mm, la altura es de 10 mm. De esta manera, la fracción de volumen de la pequeña columna de cerámica piezoeléctrica PZT en el material compuesto es 51. 84%. Dado que el modelo del material compuesto 1-3 contiene materiales de dos fases, la cantidad de cálculo es grande cuando se realiza el cálculo de la simulación. Para reducir la cantidad de cálculo, se selecciona una unidad del material compuesto piezoeléctrico 1-3 para el cálculo de la simulación. El diagrama de estructura del modelo de material compuesto piezoeléctrico 1-3 y el diagrama tridimensional de la columna de cerámica piezoeléctrica son los siguientes:

Los elementos de material compuesto piezoeléctrico tipo 1-3 se engranan, y las condiciones límite de simetría se agregan al límite alrededor del eje Z (longitud) del elemento, y se agrega voltaje de 1 V a la superficie superior de la cerámica piezoeléctrica en la dirección positiva de el eje z, z = 0 Agregue un voltaje de 0 V a la superficie inferior. Establezca el tipo de análisis de frecuencia y seleccione el rango de análisis de frecuencia (50 ~ 250 kHz) y el número de pasos), y luego resuelva y posterior al proceso, El diagrama de admisión obtenido se muestra en la Figura 2. Se puede ver en la Figura 2 que el transductor cumple con los requisitos de frecuencia, y los componentes sensibles se pueden hacer de acuerdo con los parámetros establecidos.

El sensor compuesto piezoeléctrico tipo 1-3 está hecho de bloques de cerámica piezoeléctrica con una longitud de 100 mm, un ancho de 100 mm y un grosor de 10 mm. Corte en las direcciones de longitud y ancho de acuerdo con el diseño del modelo, y luego inyecte la resina epoxi 618. Después de pie durante 24 horas, realice el mismo corte en el reverso para pulir el exceso de resina epoxi en la dirección del grosor para hacer un 1- 3 tipo. Material compuesto piezoeléctrico. Use el alcohol para limpiar la superficie del material compuesto y aplique la pasta de plata para compensar el electrodo destruido puliendo la resina epoxi y finalmente haga el elemento sensible del material compuesto piezoeléctrico 1-3. Use el analizador de impedancia Agilent 4294A para probar los componentes sensibles. Los resultados de la prueba muestran que el ancho de banda del sensor de material compuesto piezoeléctrico tipo 1-3 es 1 cuando la frecuencia resonante es de 151 kHz. 71 kHz, la impedancia acústica es 17. 47 pa · s/m3, el valor de conductividad es 104. 6 ms, el coeficiente de acoplamiento electromecánico es 0. 68. El factor de calidad mecánico es 88. 18. El resultado de la prueba del material sensible es bueno.

1.3 Fabricación de plano unidireccional de alta frecuenciatransductor hidroacústico submarinoAgregue grafito al poliuretano cuyo componente principal es la resina epoxi y revuelva para hacer la capa permeable por sonido impermeable requerida, y haga el moho de acuerdo con el tamaño del transductor para verter y sellado, y finalmente hizo una alta frecuencia unidireccional acústica submarina submarina submarina transductor.

1. 4 Prueba de rendimiento del transductor

La prueba del rendimiento del transductor incluye principalmente medir su respuesta de voltaje de transmisión, recibir sensibilidad y rendimiento de directividad. La medición de la directividad de un transductor generalmente se usa para dibujar su patrón de directividad. Durante la medición, el transductor bajo prueba se gira para lograr el propósito de medir la respuesta de envío del transductor o recibir sensibilidad con el ángulo de acimut, y luego el patrón direccional del transductor se obtiene después de la conversión

2 diseño de circuito

Teniendo en cuenta el método de comunicación punto a punto y la tasa de utilización de potencia, este artículo adopta la modulación de señal de banda doble (DSB) y la demodulación coherente. El principio de modulación se muestra en la ecuación (1): udsb = kuc (t) uω (t) (1) El principio de demodulación se muestra en la ecuación (2): uc (t) = UDSB (t) uω (t) (2 ) Donde: UDSB es la señal modulada; UC (t) es la señal modulada; Uω (t) es la señal portadora. La función esencial del circuito de modulación DSB es un multiplicador, que utiliza la señal portadora para transferir la información transportada por la señal de banda base. Durante la demodulación, la señal modulada se multiplica por un portador de la misma frecuencia y fase, y luego se pasa a través de un filtro de paso de banda para obtener la señal original. El dispositivo de conversión de energía requerido para la transmisión de señal adopta el transductor ultrasónico plano hecho en este artículo. Se muestra el principio del sistema de circuito de transmisión y transmisión.

2. 1 módulo de circuito

El microcomputador STM32F103333RC utiliza el núcleo Cortex-M3, y su velocidad máxima de CPU es de 72 MHz. En comparación con las microcomputadoras de un solo chip modelo 51 y 52, la velocidad de ejecución de instrucciones es más rápida, el volumen es más pequeño y la integración es fácil. AD9833 es un bajo consumo de energía,

Módulo de generación de señales programable, que se puede programar para generar ondas seno, cuadrada y triangular en un cierto rango de frecuencia. El puerto FSYNC en él es el puerto de activación de nivel de entrada, que sirve como señal de sincronización y habilitación de cuadro. Cuando FSYNC es bajo, los datos pueden transferirse. Además, AD9833 tiene un registro de control de 16 bits. Al programar el registro de control, AD9833 puede funcionar en el estado requerido por el usuario. El uso de la microcomputadora STM32F10333RC de un solo chip para controlar el módulo de generación de señal AD9833 produce menos distorsión de onda sinusoidal. El circuito está alimentado por el módulo de fuente de alimentación de conmutación TPS5430, que puede proporcionar voltajes estables de 5 V y 12 V, evitando la distorsión y el retraso de la transmisión de la señal.

Cuando la señal de audio externa ingresa al circuito de accionamiento, se multiplica con la onda sinusoidal de 150 kHz generada por el módulo de generación de portadores en el módulo Multiplicador AD835 (paso de modulación de banda doble), y luego el filtro de paso de banda filtra parte de la parte del Ruido de la señal de salida del multiplicador. La señal generada se amplifica por el amplificador de potencia y luego se conecta al transductor de transmisión, y finalmente el transductor de transmisión transmite la señal al agua. La modulación de la banda doble puede mover la señal de banda base a la frecuencia del portador para lograr la multiplexación y mejorar la utilización del canal; En segundo lugar, expande el ancho de banda de la señal, mejora la capacidad anti-interferencia del sistema y mejora la relación señal / ruido. En este circuito de conducción, el amplificador de potencia amplifica la señal para impulsar el transductor a funcionar. La señal de audio externa puede ser realizada por la toma de auriculares de un dispositivo electrónico, como un teléfono móvil, o una señal convertida y realizada por sonido externo a través de un módulo de micrófono.

2. 3 Circuito de recepción y conducción

Después de que el transductor de transmisión transmite la señal de onda de sonido al canal de agua, se requiere un circuito de accionamiento receptor correspondiente para recibir la señal en el canal de agua y restaurar la señal modulada original. El principio de trabajo del circuito de accionamiento receptor diseñado en este artículo. Después de que el circuito de accionamiento receptor recibe la señal en el canal, se pasa al filtro de paso alto a través del cable de alta frecuencia, y se elimina el ruido generado por el circuito y se mezcla en el canal. Luego, esta señal y la onda sinusoidal de 150 kHz se multiplican en el módulo multiplicador AD835. La salida de la operación del multiplicador se transmite al filtro de paso de banda a través del cable coaxial de alta frecuencia, y se selecciona la señal en el rango de frecuencia requerido (paso de demodulación coherente). Finalmente, el módulo de amplificador de potencia TDA2030A se usa para conducir el módulo de altavoz, y la señal demodulada se reproduce en forma de audio. En este sistema, tanto el circuito de transmisión de transmisión como el circuito de accionamiento receptor deben usar el módulo de estabilización de voltaje TPS5430 para garantizar el funcionamiento estable y estable del voltaje de cada módulo, y los filtros son todos filtros activos de cuarto orden. Las ondas portador utilizadas en el proceso de modulación y demodulación son todas de la misma frecuencia, que es generada por el módulo AD9833 activo después de ser programado por el microcontrolador STM32F103RC.

3 verificación experimental

3. 1 Verificación de comunicación hidroacústica

Para verificar la función de este sistema, se realizó una prueba de comunicación acústica subacuática en un lago con un radio de aproximadamente 100 m. Transmitir el transductor transmisor y el transductor receptor

Los receptores se colocan respectivamente en los dos lados del lago en la dirección del diámetro, respectivamente conectados al circuito de transmisión de transmisión y el circuito de accionamiento receptor. Dado que la frecuencia de la voz humana está generalmente en el rango de 8-10 kHz, incluidos muchos componentes de sobrecarga, la señal de audio de una canción se selecciona aleatoriamente como señal de modulación. La señal se muestra mediante un osciloscopio, la señal de modulación de audio original se muestra en la Figura 7 (a), y la salida de la señal portadora de 150 kHz por AD9833 se muestra en la Figura 7 (b)

La señal del portador y la señal de modulación de audio se ingresan al multiplicador para realizar una modulación preliminar. Después de ser medido por un osciloscopio, la señal de salida del multiplicador se muestra en la Figura 8.

De acuerdo con la pantalla de frecuencia en la Figura 8, se ajusta a la ley de modulación de banda doble. La señal de salida del multiplicador se ingresa en el amplificador de potencia a través del cable coaxial, y la potencia de la señal aumenta en un rango de distorsión más pequeño para conducir el transductor para emitir la señal. Transmitir la entrada del transductor que se muestra por osciloscopio. La señal se muestra en la Figura 9.

Se puede observar en la Figura 9 que la rebaba ha desaparecido, es decir, el ruido generado por el circuito se ha filtrado. El transductor receptor, es decir, el hidrófono, recibe la señal del canal como se muestra en la Figura 10.

La señal recibida por el hidrófono contiene señales de audio, ruido y parte de la señal superpuesta causada por el efecto múltiple en el canal, lo que resulta en fallas y superposiciones en algunas formas de onda de señal. Una vez que la señal recibida se filtra mediante un filtro de paso alto para eliminar el ruido de baja frecuencia y las señales superpuestas, se demodula con una onda sinusoidal de 150 kHz en un sistema compuesto por un multiplicador y un filtro de paso de banda para restaurar la señal de banda base original , y el altavoz está impulsado por el módulo de amplificador de potencia TDA2030A. La señal de audio original se transmite sin distorsión. La señal de audio de transmisión es la señal de música original. La señal de audio restaurada por el circuito de accionamiento receptor se muestra en la forma de onda inferior de la Figura 11.

La Figura 11 muestra una comparación de las dos formas de onda. La parte superior muestra la señal recibida por el hidrófono, y la parte inferior es la forma de onda de la señal de audio restaurada. El efecto de restauración de audio es bueno. Las formas de onda de la señal de audio original y la señal de audio restaurada se comparan y se comparan con el audio original y la calidad de sonido de audio real. El resultado muestra que el sistema puede impulsar un transductor hidroacústico Planar de alta frecuencia de alta frecuencia de 150 kHz. La señal de audio se puede transmitir con alta calidad, y el audio en el extremo de transmisión es claro y estable.

3. 2 verificación de ajuste de frecuencia

Después de verificar que el sistema y el transductor coincidente funcionan y funcionan normalmente, se lleva a cabo un segundo experimento para verificar la capacidad de ajuste de la frecuencia del sistema. Programe el módulo de generación de señales para modificarlo para que coincida con el transductor de 300 kHz realizado en el laboratorio. Pruebe el efecto de transmisión de señal. La señal de modulación de audio se muestra en la Figura 12 (a), y la señal de audio recién restaurada se muestra en la Figura 12 (b).

La forma de onda de la señal detectada por el osciloscopio representa la señal de audio transmitida. En la Figura 12 (b), la parte superior es la señal recibida por el hidrófono, y la parte inferior es la forma de onda de la señal de audio restaurada. Al comparar y analizar las señales de audio de entrada y salida del sistema, se puede ver que el sistema puede transmitir señales de audio con alta calidad, es decir, el sistema puede adaptarse a señales de diferentes frecuencias de resonancia dentro de un cierto rango de frecuencia.

3. Análisis de índice de rendimiento

En primer lugar, bajo la condición de la transmisión de información precisa de alta frecuencia, la distancia de propagación de este sistema es de más de 100 m a 150 kHz, lo que excede con creces la distancia de comunicación acústica submarina de menos de 100 metros alcanzados por muchos sistemas de comunicación submarina A expensas de la calidad de la transmisión de señal. En segundo lugar, en términos del rendimiento del ancho de banda de información de transmisión, en comparación con muchos sistemas de comunicación acústica submarina con un ancho de banda de aproximadamente 200 Hz en el mercado, el ancho de banda de transmisión de este sistema puede alcanzar 1. 71 kHz, lo que evita en gran medida la distorsión de Señales de audio durante la comunicación. Finalmente, en términos de la calidad de la comunicación de voz, la claridad de la voz transmitida por el último extremo receptor se utiliza como estándar de medición. En comparación con muchos equipos de comunicación de voz de agua civil con gran ruido y señales poco claras, el sistema se prueba en las mismas condiciones del lago. El audio es claro y estable.

4. Conclusión

Este artículo diseña un conjunto de circuitos de comunicación acústica submarina basado en la aplicación práctica de la comunicación punto a punto y la comunicación acústica submarina. En primer lugar, en función de las teorías relevantes del diseño del transductor y los resultados del laboratorio, la estructura del transductor se simula por el software de simulación de elementos finitos de ANSYS, y el método de corte y llenado se realiza utilizando el material sensible de alto rendimiento utilizando PZT5-A como la fase de material funcional de cerámica piezoeléctrica, la resina epoxi 618 es la fase de polímero, que llena el espacio de la columna piezoeléctrica para hacer un transductor planario hidroacústico compuesto compuesto unidireccional 1-3 de tipo piezoeléctrico. Luego, el transductor fabricado se utilizó en el sistema de comunicación, y se desarrolló un circuito de comunicación acústica submarina con estructura estable y una clara comunicación. Este circuito puede realizar una comunicación submarina efectiva, y debido al diseño del circuito de modulación y demodulación y la frecuencia ajustable de la señal portadora, el circuito también puede coincidir con la sonda ultrasónica para realizar las funciones de la detección de defectos de larga distancia y la distancia de la distancia. medición.