Diseño, desarrollo y aplicación de transductor acústico submarino combinado de banda ancha

Introducción

El océano no es solo un tesoro importante de recursos pesqueros y minerales, sino también una posición importante para que los países mantengan la seguridad nacional y las luchas militares. Por lo tanto, la tecnología acústica submarina se ha convertido en un medio importante para la exploración y el desarrollo actuales de los recursos marinos, la comunicación submarina y la navegación de los barcos, la detección y el reconocimiento de objetivos submarinos, así como el monitoreo ambiental marino y la pronóstico de desastres naturales. lostransductor acústico submarinoes el portador de emisión y recepción de onda de sonido en la tecnología acústica submarina, y su nivel técnico afecta o incluso determina el efecto de realización final de la tecnología acústica submarina. La detección activa del sonar y la exploración de recursos marinos requieren transductores con baja frecuencia, alta potencia y tamaño pequeño. La simulación de ruido y la calibración de sonar requieren transductores acústicos submarinos con frecuencia ultra baja y características de banda ultra ancha. En el campo de la comunicación acústica submarina, se requiere que los transductores acústicos submarinos tengan las características de alta eficiencia, banda ultra ancha, alta sensibilidad y banda plana. En general, los transductores acústicos submarinos se están desarrollando hacia baja frecuencia, banda ancha, alta potencia, tamaño pequeño y aguas profundas. El transductor de aguas profundas adopta el método de lavado interno para funcionar a una profundidad de hasta 11,000 m, y utiliza el acoplamiento de la cavidad del aceite interno y las partes estructurales para formar vibración de modo múltiple, que amplía la banda de frecuencia del transductor. Se forma una cavidad multi-resonante desbordando tubos redondos de diferentes tamaños, y la frecuencia de trabajo se puede ajustar cambiando el tamaño de los tubos redondos para obtener un transductor más amplio.

El ancho de banda del rango de frecuencia es de 200Hz ~ 2kHz. El diámetro deltransductor hidrófono submarinoes de 250 mm y la longitud es de 500 mm. La banda de cobertura es de 7 ~ 15 kHz, el nivel de fuente de sonido es de 200dB, la sensibilidad receptora es de -176dB y la profundidad submarina que funciona es de 11000 m. El transductor recientemente desarrollado tiene un tamaño del diámetro es de 240 mm, la longitud es de 420 mm, la banda de frecuencia de cobertura es 1.8～8.0kHz, la respuesta de transmisión es de 144dB, y la fluctuación de banda es inferior a 6dB. En resumen, los transductores acústicos submarinos en el extranjero han cubierto toda la banda de frecuencia de trabajo, incluso cubriendo toda el área de agua, y han formado una cierta escala en ingeniería, serialización y generalización, lo que representa el nivel avanzado de la industria. Los institutos de investigación nacionales y otras unidades relacionadas han realizado muchas investigaciones y experimentos, y han logrado ciertos resultados. Sin embargo, todavía hay una cierta brecha en la tecnología clave y la tecnología de procesamiento de los transductores acústicos submarinos en comparación con los países extranjeros, especialmente en los requisitos cada vez mayores para la banda ultra ancha, el tamaño pequeño y el alto rendimiento en la detección acústica submarina requieren en profundidad investigar. Requisitos de desarrollo. Con el desarrollo de la tecnología de reducción de ruido de los barcos en varios países, el nivel de ruido de los barcos y los objetivos submarinos se han reducido gradualmente. Las armas y equipos submarinos, como los torpedos, utilizan principalmente transductores acústicos submarinos de banda ancha para expandir el rango de detección y mejorar la acústica submarina compleja. La capacidad de detección y la precisión de los golpes bajo el fondo de reverberación mejoran la capacidad de reconocimiento del objetivo submarino. Además, en respuesta a varias armadas, agencias de inteligencia, entidades económicas e incluso organizaciones terroristas internacionales, en el despliegue de rana, vehículos submarinos autónomos (AUV) y micro-submarinas para el reconocimiento, el sabotaje, las explosiones y las operaciones de minas de minas a menudo se llevan a cabo en operaciones a pequeña escala. Los sumergibles no tripulados controlados de forma remota (ROV) y otros vehículos submarinos están equipados con varios equipos de detección para la protección de seguridad, y se presentan requisitos específicos para los principales indicadores técnicos de su sonar. En este artículo, con el objetivo de los requisitos de la detección acústica de las burbujas de estela de los barcos de superficie, un modelo está diseñado y desarrollado con 3～Funciones de recepción y transmisión de banda ultra de 100 kHz, que pueden realizar medidas acústicas submarinas en tiempo real de las burbujas de estela de barcos en un gran ángulo de apertura, y requiere que las funciones de recepción y envío sean independientes entre sí. Y controlable, la estructura general debe ser compacta, el tamaño físico es pequeño y es fácil de instalar y usar en una ROM pequeña. Teniendo en cuenta los requisitos reales y las condiciones de trabajo reales, los principales indicadores técnicos del transductor descrito en este artículo son los siguientes: 1) La frecuencia de transmisión es de 3 ~ 100kHz, y la frecuencia de recepción es de 1 ~ 100kHz. 2) El nivel de fuente de sonido de emisión≥189db. 3) recibir sensibilidad≥-180db. 4) fluctuación en banda≤6db. 5) Ancho de haz (horizontal)≥90°(-3db). 6) Ancho de haz (vertical)≥70°(-3db). 7) Profundidad del agua trabajadora≥500m. 8) Dimensiones≤350 mm×150 mm×250 mm. 9) Misa≤10 kg. Entre ellos, ROV es una pequeña estructura de detección, y su capacidad de carga es limitada, por lo que el transductor debe ser lo más pequeño posible, de peso ligero y fácil de implementar bajo la premisa de los indicadores de rendimiento de la reunión.

2 Diseño y desarrollo del transductor

2.1 Análisis de diseño y simulación de transductor

lostransductor cilíndrico submarinopertenece a una estructura separada de recibir y transmisión. El extremo de transmisión se realiza utilizando tres transductores de transmisión de estructura de varilla compuesta, y las bandas de frecuencia correspondientes son 3～18 khz, 18～45kHz, 45～100 kHz; El extremo receptor se realiza utilizando 2 hidrófonos de la serie de anillos de cerámica piezoeléctrica, y las bandas de frecuencia son respectivamente de 1-40 kHz, 40-100kHz. La base transductor de transmisión y recepción mencionada anteriormente se empaqueta en su conjunto, y se diseña un deflector antiacústico en el interior. Una vez integrado el paquete, la masa total es de aproximadamente 9 kg. La forma general del transductor es un cuboide irregular. El tamaño básico es de aproximadamente 310 mm×150 mm×220 mm. La apariencia se muestra en la Figura 1. El cable principal se puede conectar a equipos electrónicos de sonar externos en forma de conectores.

Con el objetivo de los principales requisitos del índice técnico del transductor acústico submarino en este artículo, combinado con el esquema de diseño anterior, se lleva a cabo el análisis de simulación de su rendimiento de transmisión y recepción. Debido a la estructura compleja del transductor diseñado en este documento y la amplia cobertura de la banda de frecuencia, los métodos de análisis teórico no son adecuados para el cálculo y la simulación. Como todos sabemos, el método de elementos finitos es un método de simulación numérica ampliamente utilizado en la práctica de ingeniería actual. Use el software ANSYS para simular un área de agua de campo libre y establecer un modelo simplificado del transductor. Seleccione un punto en la unidad de campo lejano directamente frente a la cubierta frontal para calcular la presión del sonido, y luego se puede convertir la respuesta de voltaje de transmisión del transductor. En la unidad de campo lejano, seleccione la presión de sonido en cada dirección a una determinada distancia a lo largo del centro del transductor para calcular el ángulo abierto de la directividad de emisión del transductor. Dado que el transductor de varilla compuesto tiene una simetría axial, se selecciona un modelo de elementos finitos transductores axisimétricos 2D para el análisis de elementos finitos. Al usar el cálculo de ANSYS, es necesario considerar la influencia del agua en el transductor. Por lo general, el efecto equivalente es un polo de agua, y luego la carga se aplica para calcular la solución. El modelo del transductor en el agua se muestra en las Figuras 2 y 3.

Se puede ver en las Figuras 2 y 3 que los transductores transmitidos están diseñados con banda ancha máxima de doble resonancia. Las frecuencias resonantes de la unidad de 3 ~ 18 kHz del transductor transmitente son 5kHz, 14 kHz, y las frecuencias resonantes de la unidad de 18 ~ 45kHz son 20 kHz, 40 kHz y las frecuencias resonantes de 45 ~ 100 kHz, 55k. La unidad de 1-40 kHz del hidrófono receptor utiliza un anillo piezoeléctrico, y la frecuencia resonante de anillo único es mayor de 40 kHz para garantizar una banda de frecuencia de trabajo plana. La estructura interna de dos series y dos paralelos mejora la sensibilidad y la estabilidad; La unidad de 40-100 kHz del hidrófono receptor utiliza material compuesto piezoeléctrico, la frecuencia de resonancia es mayor de 100 kHz para garantizar la planitud en la banda. En este artículo, la ecuación de elementos finitos se usa como mu¨+ CU·+Ku = f (1) donde: m es la matriz de masa; C es la matriz de amortiguación; K es la matriz de rigidez; U es el vector de desplazamiento nodal; F es el vector de carga. El nivel de respuesta de voltaje de emisión TVR es TVR = 20lg P R V + 120 (2) donde: P es la presión de sonido del nodo; R es la distancia desde el nodo hasta el centro equivalente de la fuente de sonido; V es el voltaje aplicado. Extraiga la presión de sonido P del nodo en el eje acústico en ANSYS y calcule la curva de respuesta de emisión del transductor. En el diseño real, la parte de transmisión del transductor acústico submarino está compuesta por tres tipos de transductores de transmisión de varillas compuestas, lo que realiza la emisión direccional de banda ancha y suprime la radiación trasera al mismo tiempo. El transductor transmitente cubre un amplio rango de frecuencia y se usa principalmente para la medición acústica submarina. Debe tener una buena planitud en banda para garantizar la precisión de la medición acústica submarina. En ingeniería, métodos como optimizar el tamaño del cabezal radiante del transductor, o controlar la optimización de fase para reducir las fluctuaciones en la banda, y la resistencia de la serie en la pila de cerámica piezoeléctrica antes y después de la doble resonancia (o \" El transductor de emisión de doble excitación \") se usa a menudo. , Para reducir aún más la fluctuación de la respuesta de voltaje de transmisión del transductor en la banda de frecuencia de trabajo. Este documento considera el tamaño y la calidad del transductor montado en la ROM pequeña, así como la estructura de instalación general, y adopta principalmente el método de literatura para suprimir la fluctuación en la banda del transductor transmitente, es decir, el método de ajustar La resistencia de la resistencia coincidente. Suponiendo que la resistencia en serie de las pilas de cerámica piezoeléctrica delantera y trasera dentro del transductor transmitente son R1 y R2, respectivamente, los valores de resistencia de R1 y R2 se ajustan para controlar la planitud del transductor transmitente en la banda. A través del análisis de elementos finitos, se simula la respuesta de emisión del transductor transmitente bajo diferentes valores de resistencia. Tomando el transductor de transmisión de doble resonancia de 18 ~ 45kHz diseñado como ejemplo, el análisis de simulación muestra que la respuesta de transmisión varía con la curva de valor de resistencia como se muestra en la Figura 4. Se puede ver desde la figura que ajustar R1 y R2 pueden controlar básicamente La planitud en la banda de frecuencia del transductor transmitente. Al optimizar las resistencias R1 y R2, se puede concluir que cuando R1 = 940Ω, R2 = 330Ω, tiene una mejor planitud en banda. (Que se muestra por la línea punteada en la Figura 4), y la respuesta general de emisión en la banda no cambia mucho,

Puede cumplir con los requisitos de diseño, combinados con el tamaño físico real y la coincidencia de impedancia de banda ancha, la simulación integral puede obtener 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz y 45 ~ 100kHz Resultados de la simulación de respuesta del transmisor del transmisor, como se muestra en la Figura 5-7. Se puede ver a partir de las Figs. 5-7 que la respuesta de voltaje del transmisor del transductor no es inferior a 140dB en la banda de frecuencia, lo que cumple con los requisitos de los indicadores técnicos relacionados con la entrada de diseño, y puede proporcionar un nivel de fuente de sonido más grande para la detección acústica submarina de larga distancia.

La parte receptora del transductor hidroacústico se realiza mediante la combinación de dos conjuntos de matrices de hidrófonos, cada una de las cuales adopta una serie y una conexión paralela de anillos de cerámica piezoeléctrica para lograr una recepción direccional. Entre ellos, el hidrófono de la banda de frecuencia de 1-40 kHz se realiza en forma de dos anillos de cerámica piezoeléctricos conectados en serie. La sensibilidad de un solo hidrófono no es inferior a -193dB, y la sensibilidad del hidrófono después de la conexión en serie no es inferior a -178dB. Los resultados del análisis de simulación de sensibilidad se muestran en la Figura 8. El hidrófono no tiene directividad horizontal (se puede aplicar directividad ajustable de deflectores), y la directividad vertical de 3kHz es de aproximadamente 130°. Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 9. La directividad vertical de 40 kHz es de aproximadamente 73°, y los resultados de la simulación se muestran en la figura

11. La parte receptora del hidrófono en la banda de frecuencia de 40 ~ 100 kHz adopta dos estructuras de la serie de anillos de cerámica piezoeléctrica. La frecuencia de trabajo puede cumplir con el uso de 40 ~ 100kHz, pero la sensibilidad es baja. Después de la conexión en serie, la sensibilidad del hidrófono no es inferior a -180dB. Los resultados de la simulación de sensibilidad son los siguientes como se muestra en la Figura 11. El nivel del hidrófono no tiene directividad (se puede aplicar un deflector para ajustar la directividad), y la directividad vertical a 100 kHz es de aproximadamente 77°. Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 12

De acuerdo con el análisis de simulación basado en el método de elementos finitos, el transductor combinado diseñado en este documento puede cumplir con los requisitos de entrada de diseño en términos de transmisión y recepción, y los principales indicadores técnicos se cumplen.

2.2 Desarrollo del transductor

La banda ancha combinadatransductor acústico submarino esféricose instala en una ROM pequeña para su uso. Sobre la base de satisfacer las necesidades de detección acústica de banda ancha, se centra en el diseño de tamaño pequeño y peso ligero. En este artículo, combinado con el diseño de la estructura general de una ROM pequeña, el transductor desarrollado final se muestra en la Figura 13. La estructura de diseño específica se muestra en la Figura 14. El transductor acústico submarino combinado diseñado y desarrollado en este documento cubre la transmisión de la transmisión de la transmisión rango de frecuencia de 3 ~ 100 kHz, la banda de frecuencia receptora de 1 ~ 100kHz y la masa total del objeto físico es de 9.4 kg (en el aire, incluido el soporte y el cable de conexión), el tamaño es de 328.5 mm×140 mm×240 mm, que es más pequeño que los requisitos de tamaño y calidad en la entrada de diseño, reduciendo los requisitos de capacidad de carga de ROM. El transductor coincide e instala en el cuerpo de ROM, y el objeto real después de la instalación se muestra en la Figura 15. Los resultados del análisis de simulación se pueden usar como entrada de referencia de diseño, pero en el proceso de desarrollo y depuración real posterior, debe ajustarse De acuerdo con la situación de medición real para cumplir con los requisitos de uso reales.

3 Prueba experimental

La parte de transmisión de la banda ancha combinada el transductor acústico submarino adopta 3 unidades verticales para formar una banda de frecuencia de trabajo que cubre 3 ~ 100kHz, y la parte receptora adopta 2 unidades independientes para formar una banda de frecuencia de trabajo que cubre 1 ~ 100kHz. El diseño general de transmisión en ambos extremos y la recepción en el medio se adopta para garantizar el ángulo de apertura del transductor. Un deflector antiacústico está diseñado dentro del transductor para reducir la reflexión interna y la superposición de la señal acústica. Al mismo tiempo, se adopta un mecanismo de soporte ajustable en la parte receptor, y la altura del transductor receptor se ajusta limitada de acuerdo con la situación de la prueba real para expandir aún más el ángulo de apertura receptor para evitar la oclusión y el reflejo de la carcasa del transductor y el cuerpo rov. Después de completar el desarrollo, para obtener aún más el rendimiento de trabajo real del transductor, que es diferente del método de prueba de transceptor independiente que generalmente se usa en el laboratorio, aquí se usa la prueba de índice de rendimiento acústico general del transductor. Es decir, después de que el conjunto se instala en el ROV, la prueba del tanque del transductor se lleva a cabo bajo simulación de condiciones de trabajo reales para confirmar aún más que el transductor se instala en el ROV y se ve afectado por la estructura de ROV, para obtener la obtención de la estructura de ROV, para obtener el para obtener el condición de trabajo real del transductor. Parámetros de rendimiento reales. Se realizó una prueba integral en un grupo anecoico para verificar la realización de sus indicadores de rendimiento. Las condiciones de prueba de la piscina de agua anecoica. La temperatura ambiente ambiente es de 25℃, la longitud del cable de prueba es de 3 m, la profundidad del agua es de 3 m, la temperatura del agua ambiental es de 20℃, la resistencia a aislamiento es de 500 mΩ, la capacitancia estática es de 51,000 pf, y la distancia de prueba es de 6.2 m. Los resultados de la medición real se muestran en las Figuras 16

El ROV se usa para montar un transductor acústico submarino combinado de banda ancha para realizar la detección acústica submarina de banda ancha de las burbujas de estela de un barco superficial, y obtener las características acústicas relevantes de las burbujas de estela y el tamaño físico de la estela. En la prueba específica del lago, el barco superficial se usó para hacer una navegación directa de alta velocidad en la superficie del agua. El barco tenía 7,5 m de largo, 3 m de ancho y tenía un borrador de 0,35 m. La hélice del motor externo era de 0,8 m bajo el agua. El área de agua de prueba es un área abierta de un lago, la profundidad promedio del área es de 35 m, y la velocidad del barco es de 10 nudos al pasar el punto de medición. El ROV está equipado con un transductor acústico subacuático combinado de banda ancha en este artículo para la medición continua. En las mediciones repetidas, se utilizan diferentes combinaciones de frecuencia acústica para la detección, y se obtienen los resultados de la medición de la distribución de burbujas de estela, como se muestra en la figura

Se puede ver en la Figura 18 que la medición real del tamaño de la burbuja de la estela del barco se concentra en la alta densidad de 10-20μmetro. El resultado de la medición es consistente con la densidad de número de burbuja más alta en la estela dada por la literatura con un radio de 10-20μm, que prueba que el transductor. El dispositivo cumple con los requisitos de prueba en el entorno de trabajo real. Al mismo tiempo, el transductor se usa para medir continuamente la capa de burbuja de estela formada después de que la nave superficial navega, y de acuerdo con la información de intensidad del objetivo acústico de burbuja de estela obtenida, combinada con el entorno acústico submarino actual (como la velocidad del sonido, la profundidad del agua, la profundidad del agua , etc.) y datos anteriores (como sensibilidad al transductor, ganancia de circuito a nivel de origen de sonido de emisión, etc.), estimados de acuerdo con el algoritmo de procesamiento correspondiente y obtuvieron la curva de resistencia a la burbuja con la profundidad y el tiempo que se muestra en la Figura 19. Se puede ver en la Figura 19 que la duración de la burbuja de estela es de aproximadamente 173 s, y el grosor de burbuja de la estela mediante de medición real es de 1,46 m, lo que es básicamente consistente con la fórmula empírica dada por la fórmula convencional de cálculo de la estela. En resumen, a través de la prueba de medición general en el grupo anecoico, los resultados de la medición muestran que el rendimiento real del transductor es básicamente consistente con los resultados de la simulación. Se instala en la plataforma ROV y se verifica mediante la prueba de navegación real en el lago. Los resultados de la prueba muestran que el transductor cubre una banda de frecuencia amplia, tiene una estructura pequeña y los resultados de la medición son básicamente consistentes con las fórmulas empíricas. Los datos de medición son creíbles y pueden cumplir con los requisitos de Surface Ship Wake Bubbles.

4. Conclusión

Este documento propone un método de diseño de transductor integrado combinado, con una banda de frecuencia de operación de banda ancha de baja frecuencia de alta frecuencia, que se caracteriza en el que el extremo transmisor puede cubrir 3 ~ 100kHz, el extremo receptor cubre 1 ~ 100kHz y el ángulo de apertura no es inferior a 70°; Adoptar un diseño de transceptor separado, transmitiendo en ambos extremos, recibiendo concentrado en el centro, diseño interno de estructura de deflectación acústica; Los componentes internos del transductor se integran y salen a través de un conector estancado, reduciendo la complejidad de las conexiones externas; A través de la estructura de soporte central del transductor, se puede ajustar el centro de gravedad general del transductor, lo cual es conveniente para la adaptación e instalación de pequeños vehículos submarinos como ROV; El diseño abierto del transductor, la carga mecánica a través del soporte de metal, reduce todo el transductor que la calidad y el tamaño del dispositivo mejoran el ajuste. Este transductor tiene las ventajas de una banda de frecuencia de trabajo amplia, un ángulo de apertura más grande y un peso más ligero bajo la restricción de un tamaño pequeño. Se ha aplicado con éxito a una ROM pequeña, que resuelve el problema de las pruebas acústicas submarinas de banda ultra ancha en una pequeña plataforma ROM. Tiene alto valor militar y civil.