Design, Desenvolvimento e Aplicação de Transdutor Acústico Subaquático Combinado de Banda Broad

introdução

O oceano não é apenas um tesouro importante da pesca e dos recursos minerais, mas também uma posição importante para os países manterem lutas de segurança nacional e militares. Portanto, a tecnologia acústica subaquática tornou -se um meio importante para a exploração e desenvolvimento atual de recursos marinhos, comunicação subaquática e navegação de navios, detecção e reconhecimento de metas subaquáticas, bem como monitoramento ambiental marinho e previsão de desastres naturais. oTransdutor acústico subaquáticoé o portador de emissão de ondas sonoras e recepção na tecnologia acústica subaquática, e seu nível técnico afeta diretamente ou mesmo determina o efeito final da realização da tecnologia acústica subaquática. A detecção ativa do sonar e a exploração de recursos marítimos requerem transdutores com baixa frequência, alta potência e tamanho pequeno. A simulação de ruído e a calibração do sonar requerem transdutores acústicos subaquáticos com características ultra-baixa de frequência e banda ultra-larga. No campo da comunicação acústica subaquática, os transdutores acústicos subaquáticos precisam ter as características de alta eficiência, banda ultra larga, alta sensibilidade e banda plana. Em geral, os transdutores acústicos subaquáticos estão se desenvolvendo para baixa frequência, banda larga, alta potência, tamanho pequeno e águas profundas. O transdutor de águas profundas adota o método interno de descarga para funcionar a uma profundidade de até 11.000 m e usa o acoplamento da cavidade interna da cavidade e as partes estruturais para formar vibração multimodo, que amplia a faixa de frequência do transdutor. Uma cavidade multi-ressonante é formada por tubos redondos transbordantes de tamanhos diferentes, e a frequência de trabalho pode ser ajustada alterando o tamanho dos tubos redondos para obter um transdutor mais amplo.

A largura de banda da faixa de frequência é de 200Hz ~ 2kHz. O diâmetro dotransdutor subaquático de hidrofonesé 250 mm e o comprimento é de 500 mm. A faixa de cobertura é de 7 a 15kHz, o nível da fonte de som é de 200dB, a sensibilidade de recebimento é de -176db e a profundidade subaquática que trabalha é de 11000m. O transdutor recentemente desenvolvido tem um tamanho do diâmetro é de 240 mm, o comprimento é de 420 mm, a faixa de frequência de cobertura é 1.8～8.0KHz, a resposta da transmissão é de 144dB e a flutuação na banda é menor que 6dB. Em resumo, os transdutores acústicos subaquáticos no exterior cobriram toda a faixa de frequência de trabalho, até cobrindo toda a área de água e formou uma certa escala em engenharia, serialização e generalização, representando o nível avançado da indústria. Institutos de pesquisa doméstica e outras unidades relacionadas realizaram muitas pesquisas e experimentos e alcançaram certos resultados. No entanto, ainda existe uma certa lacuna na tecnologia chave e na tecnologia de processamento de transdutores acústicos subaquáticos em comparação com países estrangeiros, especialmente nos requisitos cada vez maiores para banda ultra larga, tamanho pequeno e alto desempenho na detecção acústica subaquática requerem em profundidade pesquisar. Requisitos de desenvolvimento. Com o desenvolvimento da tecnologia de redução de ruído de navios em vários países, o nível de ruído de navios e alvos subaquáticos foi gradualmente reduzido. Armas e equipamentos subaquáticos, como torpedos, usam principalmente transdutores acústicos de banda larga subaquática para expandir a faixa de detecção e melhorar a acústica subaquática complexa. A capacidade de detecção e a precisão do acerto no fundo da reverberação aumentam a capacidade de reconhecimento de alvo subaquático. Além disso, em resposta a várias marinhas, agências de inteligência, entidades econômicas e até organizações terroristas internacionais, na implantação de sapos, veículos subaquáticos autônomos (AUVs) e micro-submarinas para reconhecimento, sabotagem, explosões e operações de lança de minas são frequentemente realizados em operações de pequena escala. Os submersíveis não tripulados controlados remotamente (ROV) e outros veículos subaquáticos estão equipados com vários equipamentos de detecção para proteção de segurança, e os requisitos específicos são apresentados para os principais indicadores técnicos de seu sonar. Neste artigo, com o objetivo de os requisitos de detecção acústica das bolhas de esteira de navios de superfície, um modelo é projetado e desenvolvido com 3～Funções de recepção e transmissão de banda ultra larga de 100kHz, que podem realizar a medição acústica subaquática em tempo real das bolhas de esteira de navios em um grande ângulo de abertura, e exige que as funções de recebimento e envio sejam independentes uma da outra. E controlável, a estrutura geral precisa ser compacta, o tamanho físico é pequeno e é fácil de instalar e usar em uma pequena ROM. Considerando os requisitos reais e as condições de trabalho reais, os principais indicadores técnicos do transdutor descritos neste artigo são os seguintes: 1) A frequência de transmissão é de 3 ~ 100kHz e a frequência de recebimento é de 1 ~ 100kHz. 2) o nível da fonte sonora de emissão≥189dB. 3) recebendo sensibilidade≥-180db. 4) flutuação na banda≤6db. 5) Largura do feixe (horizontal)≥90°(-3db). 6) Largura do feixe (vertical)≥70°(-3db). 7) profundidade de água de trabalho≥500m. 8) dimensões≤350mm×150mm×250mm. 9) Massa≤10 kg. Entre eles, o ROV é uma pequena estrutura de detecção, e sua capacidade de carga é limitada; portanto, o transdutor deve ser o mais pequeno possível, leve em peso e fácil de implementar sob a premissa dos indicadores de desempenho.

2 design e desenvolvimento de transdutor

2.1 Projeto de transdutor e análise de simulação

oTransdutor cilindico subaquáticopertence a uma estrutura separada de recebimento e transmissão. A extremidade transmissora é realizada usando três transdutores de estrutura de haste compostos, e as faixas de frequência correspondentes são 3～18kHz, 18～45kHz, 45～100kHz; A extremidade receptora é realizada usando 2 hidrofones piezoelétricos de anel cerâmica, e as bandas de frequência são respectivamente, são 1-40kHz, 40-100kHz. A base de transdutor de transmissão e recepção acima mencionada é embalada como um todo, e um defletor anti-acústico é projetado dentro. Após a integração do pacote, a massa total é de cerca de 9 kg. A forma geral do transdutor é um cubóide irregular. O tamanho básico é de cerca de 310 mm×150mm×220mm. A aparência é mostrada na Figura 1. O cabo principal pode ser conectado a equipamentos eletrônicos de sonar externo na forma de conectores.

Com o objetivo dos principais requisitos de índice técnico do transdutor acústico subaquático neste artigo, combinado com o esquema de design acima, a análise de simulação de seu desempenho de transmissão e recebimento é realizada. Devido à estrutura complexa do transdutor projetado neste artigo e à ampla cobertura da banda de frequência, os métodos de análise teórica não são adequados para cálculo e simulação. Como todos sabemos, o método do elemento finito é um método de simulação numérica amplamente utilizado na prática atual de engenharia. Use o software ANSYS para simular uma área de água de campo livre e estabelecer um modelo simplificado do transdutor. Selecione um ponto na unidade de campo distante diretamente na frente da tampa frontal para calcular a pressão sonora e, em seguida, a resposta de tensão de transmissão do transdutor pode ser convertida. Na unidade de campo distante, selecione a pressão sonora em cada direção a uma certa distância ao longo do centro do transdutor para calcular o ângulo aberto da diretividade de emissão do transdutor. Como o transdutor de haste composto possui simetria axial, um modelo de elemento finito do transdutor axissimétrico 2D é selecionado para análise de elementos finitos. Ao usar o cálculo do ANSYS, é necessário considerar a influência da água no transdutor. Geralmente, o efeito equivalente é um pólo aquático e, em seguida, a carga é aplicada para calcular a solução. O modelo do transdutor na água é mostrado nas Figuras 2 e 3 ..

Pode ser visto nas Figuras 2 e 3 que os transdutores de transmissão são projetados com banda larga de pico de ressonância dupla. As frequências ressonantes da unidade de 3 ~ 18kHz do transdutor transmissor são 5kHz, 14kHz e as frequências ressonantes da unidade de 18 ~ 45kHz são 20kHz, 40kHz e as frequências ressonantes de 45 ~ 100kHz, 55k. A unidade de 1-40kHz do hidrofone de recepção usa um anel piezoelétrico, e a frequência ressonante de anel único é maior que 40kHz para garantir uma faixa de frequência de trabalho plana. A estrutura interna de duas séries e dois paralelos melhora a sensibilidade e a estabilidade; A unidade de 40-100kHz do hidrofone de recepção usa material compósito piezoelétrico, a frequência de ressonância é maior que 100kHz para garantir a planicidade na banda. Neste artigo, a equação do elemento finito é usado como mu¨+ Cu·+Ku = f (1) onde: m é a matriz de massa; C é a matriz de amortecimento; K é a matriz de rigidez; U é o vetor de deslocamento nodal; F é o vetor de carga. O nível de resposta da tensão de emissão TVR é TVR = 20lg P R V + 120 (2) onde: P é a pressão sonora do nó; R é a distância do nó ao centro equivalente da fonte de som; V é a tensão aplicada. Extraia a pressão sonora P do nó no eixo acústico no ANSYS e calcule a curva de resposta de emissão do transdutor. No design real, a parte transmissora do transdutor acústico subaquático é composto por três tipos de transdutores de transmissão de haste composta, que realizam emissão direcional de banda larga e suprime a radiação traseira ao mesmo tempo. O transdutor de transmissão cobre uma ampla faixa de frequência e é usado principalmente para medição acústica subaquática. Ele precisa ter uma boa nivelamento na banda para garantir a precisão da medição acústica subaquática. Na engenharia, métodos como otimizar o tamanho da cabeça radiante do transdutor ou controlar a otimização de fases para reduzir as flutuações na banda e a resistência da série na pilha de cerâmica piezoelétrica antes e após a ressonância dupla (ou \" O transdutor de emissão de excitação dupla \") é frequentemente usado. , Para reduzir ainda mais a flutuação da resposta de tensão de transmissão do transdutor na banda de frequência de trabalho. Este artigo considera o tamanho e a qualidade do transdutor montado na pequena ROM, bem como a estrutura geral de instalação, e adota principalmente o método de literatura para suprimir a flutuação da banda do transdutor transmissor, ou seja, o método de ajustar a resistência do resistor correspondente. Supondo que a resistência em série das pilhas de cerâmica piezoelétrica frontal e traseira dentro do transdutor de transmissão sejam R1 e R2, respectivamente, os valores de resistência de R1 e R2 são ajustados para controlar a planicidade do transdutor transmissor na banda. Através da análise de elementos finitos, a resposta de emissão do transdutor de transmissão sob diferentes valores de resistência é simulada. Tomando o transdutor de transmissão de dupla ressonância de 18 ~ 45kHz projetado como exemplo, a análise de simulação mostra que a resposta de transmissão varia com a curva de valor de resistência, como mostrado na Figura 4. Pode ser visto na figura que o ajuste R1 e R2 pode basicamente controlar A planicidade na faixa de frequência do transdutor de transmissão. Ao otimizar as resistências R1 e R2, pode -se concluir que quando R1 = 940Ω, R2 = 330Ω, tem melhor planicidade na banda. (Mostrado pela linha pontilhada na Figura 4), e a resposta geral da emissão na banda não muda muito,

Ele pode atender aos requisitos de projeto, combinados com o tamanho físico real e a correspondência de impedância de banda larga, a simulação abrangente pode obter 3 ~ 18kHz, 18 ~ 45kHz e 45 ~ 100kHz Resultados da simulação de resposta a tensão do transmissor, conforme mostrado na Figura 5-7. Pode ser visto nas Figs. 5-7 que a resposta de tensão do transmissor do transdutor não é inferior a 140dB na banda de frequência, que atende aos requisitos dos indicadores técnicos relacionados a entradas de design e pode fornecer um nível de fonte sonora maior para detecção acústica subaquática de longa distância.

A parte receptora do transdutor hidroacústica é realizada pela combinação de dois conjuntos de matrizes de hidrofone, cada um dos quais adota uma série e conexão paralela de anéis cerâmicos piezoelétricos para obter recepção direcional. Entre eles, o hidrofone da banda de frequência de 1-40kHz é feito na forma de dois anéis cerâmicos piezoelétricos conectados em série. A sensibilidade de um único hidrofone não é inferior a -193db, e a sensibilidade do hidrofone após a conexão em série não é inferior a -178db. Os resultados da análise de simulação de sensibilidade são mostrados na Figura 8. O hidrofone não possui diretividade horizontal (a diretividade ajustável por defletor pode ser aplicada) e a diretividade vertical de 3kHz é de cerca de 130°. Os resultados da simulação são mostrados na Figura 9. A diretividade vertical de 40kHz é de cerca de 73°e os resultados da simulação são mostrados na figura

11. A parte receptora do hidrofone na banda de frequência de 40 ~ 100kHz adota duas estruturas piezoelétricas de anel cerâmico. A frequência de trabalho pode atender ao uso de 40 ~ 100kHz, mas a sensibilidade é baixa. Após a conexão da série, a sensibilidade do hidrofone não é inferior a -180db. Os resultados da simulação de sensibilidade são os seguintes, conforme mostrado na Figura 11. O nível do hidrofone não possui diretividade (um defletor pode ser aplicado para ajustar a diretividade) e a diretividade vertical a 100kHz é de cerca de 77°. Os resultados da simulação são mostrados na Figura 12

De acordo com a análise de simulação com base no método do elemento finito, o transdutor combinado projetado neste artigo pode atender aos requisitos de entrada de projeto em termos de transmissão e recebimento, e os principais indicadores técnicos são atendidos.

2.2 Desenvolvimento do transdutor

A banda larga combinadatransdutor acústico subaquático esféricoestá instalado em uma pequena ROM para uso. Com base no atendimento às necessidades da detecção acústica de banda larga, ele se concentra no tamanho pequeno e no design de peso leve. Neste artigo, combinado com o design geral da estrutura de uma pequena ROM, o transdutor final desenvolvido é mostrado na Figura 13. A estrutura de projeto específica é mostrada na Figura 14. O transdutor acústico subaquático combinado de banda larga projetada e desenvolvida neste artigo cobre a transmissão Faixa de frequência de 3 ~ 100kHz, a faixa de frequência de recepção de 1 ~ 100kHz e a massa total do objeto físico é de 9,4 kg (no ar, incluindo o suporte e o cabo de conexão), o tamanho é de 328,5 mm×140mm×240mm, que é menor que os requisitos de tamanho e qualidade na entrada do projeto, reduzindo os requisitos de capacidade de transporte da ROM. O transdutor é correspondido e instalado no corpo da ROM, e o objeto real após a instalação é mostrado na Figura 15. Os resultados da análise de simulação podem ser usados ​​como entrada de referência de projeto, mas no processo subsequente de desenvolvimento e depuração real, ele precisa ser ajustado De acordo com a situação real de medição para atender aos requisitos de uso reais.

3 Teste experimental

A parte transmissora do transdutor acústico subaquático combinado de banda larga adota 3 unidades verticais para formar uma faixa de frequência de trabalho que cobre 3 ~ 100kHz, e a parte receptora adota 2 unidades independentes para formar uma faixa de frequência de trabalho que cobre 1 ~ 100kHz. O layout geral da transmissão nas duas extremidades e o recebimento no meio é adotado para garantir o ângulo de abertura do transdutor. Um defletor anti-acústico é projetado dentro do transdutor para reduzir a reflexão interna e a superposição do sinal acústico. Ao mesmo tempo, um mecanismo de suporte ajustável é adotado na parte receptora, e a altura do transdutor receptor é limitada de acordo com a situação real do teste para expandir ainda mais o ângulo de abertura do recebimento para evitar a oclusão e a reflexão da concha do transdutor e o corpo rov. Após a conclusão do desenvolvimento, a fim de obter ainda mais o desempenho real do transdutor, que é diferente do método de teste de transceptor independente geralmente usado no laboratório, o teste geral do índice de desempenho acústico do transdutor é usado aqui. Ou seja, depois que o todo é instalado no ROV, o teste do tanque do transdutor é realizado sob simulações reais de trabalho para confirmar ainda mais que o transdutor está instalado no ROV e é afetado pela estrutura ROV, de modo a obter o condição de trabalho real do transdutor. Parâmetros de desempenho reais. Um teste abrangente foi realizado em um pool anecóico para verificar a realização de seus indicadores de desempenho. As condições de teste da piscina de água anecóica. A temperatura ambiente ambiente é 25℃, o comprimento do cabo de teste é de 3 m, a profundidade da água é de 3 m, a temperatura da água ambiente é 20℃, a resistência ao isolamento é 500 mΩ, a capacitância estática é de 51.000 pF e a distância do teste é de 6,2 m. Os resultados reais da medição são mostrados nas Figuras 16

O ROV é usado para montar um transdutor acústico subaquático combinado de banda larga para realizar a detecção acústica subaquática de banda larga das bolhas de esteira de um navio de superfície e obter as características acústicas relevantes das bolhas de esteira e o tamanho físico da esteira. No teste específico do lago, o navio de superfície foi usado para fazer navegação direta em alta velocidade na superfície da água. O navio tinha 7,5m de comprimento, com 3m de largura e tinha um rascunho de 0,35m. A hélice do motor externo estava em 0,8m subaquática. A área de água de teste é uma área aberta de um lago, a profundidade média da área é de 35m e a velocidade do navio é de 10 nós ao passar o ponto de medição. O ROV está equipado com um transdutor acústico subaquático combinado de banda larga neste artigo para medição contínua. Nas medições repetidas, diferentes combinações de frequência acústica são usadas para detecção, e os resultados da medição da distribuição de bolhas são obtidos, como mostrado na figura

Pode ser visto na Figura 18 que a medição real do tamanho da bolha de vigília do navio está concentrada na alta densidade de 10-20μm. O resultado da medição é consistente com a maior densidade de número de bolhas na esteira dada pela literatura com um raio de 10-20μm, que prova que o transdutor. O dispositivo atende aos requisitos de teste no ambiente de trabalho real. Ao mesmo tempo, o transdutor é usado para medir continuamente a camada de bolhas de esteira formada após a navegação do navio de superfície e, de acordo com as informações de intensidade do alvo acústico da bolha de vigília obtidas, combinadas com o atual ambiente acústico subaquático (como velocidade de som, profundidade da água , etc.) e dados anteriores (como sensibilidade ao transdutor, ganho de circuito no nível da fonte sonora de emissão, etc.), estimado de acordo com o algoritmo de processamento correspondente e obteve a curva de resistência à bolha com profundidade e tempo, como mostrado na Figura 19. pode ser visto na Figura 19 que a duração da bolha de vigília é de cerca de 173 s, e a espessura real da medição da bolha do meio é de 1,46 m, o que é basicamente consistente com a fórmula empírica dada pela fórmula de cálculo de vigília convencional. Em resumo, através do teste geral de medição no pool anecóico, os resultados da medição mostram que o desempenho real do transdutor é basicamente consistente com os resultados da simulação. Ele é instalado na plataforma ROV e verificado pelo teste de navegação real no lago. Os resultados do teste mostram que o transdutor cobre uma banda de frequência ampla, tem uma estrutura pequena e os resultados da medição são basicamente consistentes com as fórmulas empíricas. Os dados de medição são credíveis e podem atender aos requisitos das bolhas de esteira de navios de superfície.

4. Conclusão

Este artigo propõe um método combinado de design de transdutor integrado, com uma banda de frequência operacional de banda larga de baixa frequência a alta frequência, que é caracterizada na medida em que a extremidade transmissora pode cobrir 3 ~ 100kHz, as tampas finais de recepção 1 ~ 100kHz e o ângulo de abertura não é inferior a 70°; Adotando um layout de transceptor separado, transmitindo nas duas extremidades, recebendo concentrado no centro, projeto interno da estrutura do defletor acústico; Os componentes internos do transdutor são integrados e a saída através de um conector d'água, reduzindo a complexidade das conexões externas; Através da estrutura de suporte central do transdutor, o centro geral de gravidade do transdutor pode ser ajustado, o que é conveniente para a adaptação e instalação de pequenos veículos subaquáticos, como o ROV; O layout aberto do transdutor, a carga mecânica de carga através do suporte de metal, reduz todo o transdutor A qualidade e o tamanho do dispositivo melhoram o ajuste. Este transdutor tem as vantagens da ampla faixa de frequência de trabalho, maior ângulo de abertura e peso mais leve sob a restrição de tamanho pequeno. Foi aplicado com sucesso a uma pequena ROM, que resolve o problema dos testes acústicos subaquáticos em banda ultra larga em uma pequena plataforma de ROM. Tem alto valor militar e civil.