Projeto de condução e recebimento de circuito com base no transdutor acústico subaquático

A partir das necessidades de comunicações submarinas militares e comunicações subaquáticas civis, um plano únicoTransdutor hidroacústico subaquáticoCom uma frequência de ressonância de 150 kHz, foi fabricada e os circuitos de transmissão do transmissor e receptor do transdutor foram projetados com base no princípio da comunicação ponto a ponto. O transdutor acústico subaquático é colocado na área de água e conectado ao circuito para realizar a função de comunicação subaquática de longa distância. O circuito foi testado em uma plataforma experimental auto-projetada. Os resultados do teste mostram que o transdutor fabricado possui maior resposta e sensibilidade de tensão de emissão, diretividade única e o circuito de comunicação acústica subaquática tem frequência ajustável, e a comunicação é clara e estável. O circuito de comunicação acústica subaquática pode ser usada para comunicações militares e civis e é fácil de mover e transportar e fácil de depurar. Devido à absorção de ondas eletromagnéticas, ondas leves e outras formas de energia por água do mar e a existência de zonas de convergência do mar profundo \, as ondas sonoras são atualmente a única forma de energia conhecida que pode transmitir sinais sem fio a longas distâncias subaquáticas. Ondas sonoras com frequência de vibração acima de 20 kHz são chamadas ondas ultrassônicas. Comparados com ondas sonoras comuns, as ondas ultrassônicas têm melhor diretividade, poder de penetração mais forte e melhor desempenho de reflexão. Portanto, eles são amplamente utilizados na transmissão de informações, detecção de danos, teste de distância e campos médicos e de saúde. Mas, no processo de propagação, a perda de energia da onda sonora no canal de água aumenta com o aumento da frequência, de modo que a largura de banda disponível do canal de água é estreita e a capacidade de informação é pequena. Portanto, o desempenho do circuito de acionamento de transmissão e recebimento desempenha um papel vital na qualidade da comunicação acústica subaquática. No século passado, a Companhia de Produtos Acústicos da Harris, na França e o Reino Unido, desenvolveram comunicadores hidroacústicos adequados para comunicações subaquáticas de navios. Eles usaram a modulação de banda única e usavam hidrofones de grande volume como \"janela \" para transmissão e recepção de sinal. , Para atingir uma certa distância da comunicação subaquática, mas o equipamento é complexo, o transdutor é grande e a diretividade não é nítida o suficiente, não é adequada para o uso civil; Montado em um sistema de comunicação analógica baseado no software de processamento de sinal Linux, na comunicação de longa distância do simulador de canal é realizada, mas o canal de design ideal é diferente do canal de água real; Outros construíram um sistema de comunicação subaquático baseado no espectro de spread paralelo de sequência de mapeamento combinado, usando o chip DSP como módulo de processamento de informações, realizando assim a transmissão oculta subaquática e de alta velocidade de informações entre as plataformas. No entanto, o temporizador 555 é tradicionalmente usado para gerar uma onda transportadora com uma frequência de vibração específica para acionar o circuito de acionamento do transdutor, e a estabilidade da frequência da forma de onda gerada é relativamente ruim; E a tecnologia de processamento de chips DSP recentemente emergente possui algoritmos complexos e precisa ser realizado para diferentes águas. A complicada modificação e compensação do cálculo não são adequadas para a promoção em larga escala no campo civil. Além disso, as sondas utilizadas nos dispositivos transceptor de sinal do circuito de comunicação que foram desenvolvidos não são nítidos o suficiente, a potência não está concentrada e a largura de banda é relativamente estreita, o que não é propício à transmissão e recepção do sinal. No entanto, a maioria dos transceptores ultrassônicos não é adequada para a operação do canal de água e não pode atender às necessidades civis e militares reais.

1) com base em um pequeno volumetransdutor acústico subaquático unidirecional, este artigo utiliza métodos de modulação de banda dupla e desmodulação coerente para desenvolver um circuito de transmissão de transmissão e recebimento adequado para comunicação subaquática. O circuito de comunicação acústica subaquática possui utilização de banda de alta frequência e frequência ajustável, adequado para 0 kHz ~ 12. O transdutor de faixa de frequência de 5 MHz tem uma distância de comunicação de até 100 metros. O circuito de transmissão e direção, o circuito de recepção e direção e o transdutor de transmissão e o hidrofone no circuito formam um conjunto de sistema de comunicação hidroacústica. O sistema usa o transmissor e o hidrofone como \"Window \" para troca de sinal, usa STM32F103RCT6 e AD9833 como fonte de sinal de transportadora e combina os componentes do modem relevante para finalmente alcançar uma comunicação estável e clara.

1 Produção de transdutor

O material compósito piezoelétrico de 1-3 refere-se a um material formado por colunas cerâmicas piezoelétricas conectadas unidimensionais dispostas em paralelo em um polímero conectado tridimensional. Comparado com os materiais piezoelétricos de cerâmica pura 1-3 materiais compósitos piezoelétricos, ele tem melhores efeitos na detecção de danos e na produção de transdutores de transmissão e recebimento. Portanto, o módulo transceptor de ondas acústicas deste sistema adota um transdutor ultrassônico planar feito de 1-3 materiais compósitos piezoelétricos desenvolvidos em laboratório, que é composto por um elemento sensível ao compósito piezoelétrico de 1-3, uma camada sonora à prova d'água, e um composto compósito composto Candidato do eletrodo e um rígido composto de espuma de alta qualidade e tampa de metal. Antes de fazer o transdutor, é necessário usar o software de simulação de elementos finitos do ANSYS para arquitetura de modelo e cálculo de simulação.

Simulação de 1-3 sensor de compósito piezoelétrico

No software de simulação de elementos finitos do ANSYS, primeiro defina o tipo de unidade, a densidade, a proporção de Poisson e o módulo de Young da resina epóxi e define a densidade, matriz de rigidez, matriz constante dielétrica e matriz piezoelétrica da cerâmica piezoelétrica. Em segundo lugar, defina a estrutura do modelo de material compósito piezoelétrico de 1-3: um plano com um comprimento de 100 mm, uma largura de 100 mm e uma espessura de 10 mm, na qual a largura da fase polímero é 0. 28 mm , a largura da coluna cerâmica piezoelétrica é de 1,44 mm, a altura é de 10 mm. Dessa forma, a fração de volume da coluna de cerâmica piezoelétrica PZT no material compósito é 51. 84%. Como o modelo do material compósito 1-3 contém materiais bifásicos, a quantidade de cálculo é grande quando o cálculo da simulação é realizado. Para reduzir a quantidade de cálculo, uma unidade do material compósito piezoelétrico 1-3 é selecionado para o cálculo da simulação. O diagrama de estrutura do modelo de material composto piezoelétrico 1-3 e o diagrama tridimensional da coluna cerâmica piezoelétrica são os seguintes:

1-3 Tipo elementos de material composto piezoelétrico são malhados e as condições de contorno de simetria são adicionadas ao limite ao redor do eixo Z (comprimento) do elemento, e a tensão de 1 V é adicionada à superfície superior da cerâmica piezoelétrica na direção positiva de o eixo z, z = 0 adicione uma tensão de 0 V à superfície inferior. Confie o tipo de análise de frequência e selecione a faixa de análise de frequência (50 ~ 250 kHz) e o número de etapas) e, em seguida, resolva e após o processo, O diagrama de admissão obtido é mostrado na Figura 2. Pode ser visto na Figura 2 que o transdutor atende aos requisitos de frequência e os componentes sensíveis podem ser feitos de acordo com os parâmetros definidos.

O sensor composto piezoelétrico do tipo 1-3 é feito de blocos de cerâmica piezoelétrica com um comprimento de 100 mm, uma largura de 100 mm e uma espessura de 10 mm. Corte as direções de comprimento e largura de acordo com o design do modelo e, em seguida, injete a resina epóxi 618. Depois de ficar por 24 horas, execute o mesmo corte no verso para polir o excesso de resina epóxi na direção da espessura para fazer um 1- 3 tipo. Material compósito piezoelétrico. Use álcool para limpar a superfície do material compósito e aplique pasta de prata para compensar o eletrodo destruído pelo polimento da resina epóxi e, finalmente, faça o elemento sensível ao material composto piezoelétrico de 1-3. Use o analisador de impedância Agilent 4294A para testar os componentes sensíveis. Os resultados do teste mostram que a largura de banda do sensor de material composto piezoelétrico do tipo 1-3 é 1 quando a frequência ressonante é de 151 kHz. 71 kHz, a impedância acústica é 17. 47 Pa · s/m3, o valor da condutividade é 104. 6 ms, o coeficiente de acoplamento eletromecânico é 0. 68. O fator de qualidade mecânica é 88. 18. O resultado do teste do material sensível é bom.

1.3 Fabricação de planar unidirecional de alta frequênciaTransdutor hidro-acústico subaquáticoAdicione grafite ao poliuretano cujo componente principal é a resina epóxi e mexa para fazer a camada sonora impermeável necessária e fazer o molde de acordo com o tamanho do transdutor para derramar e vedação e finalmente fez um planar unidirecional de alta frequência transdutor.

1. 4 Teste de desempenho do transdutor

O teste do desempenho do transdutor inclui principalmente a medição de sua resposta de tensão de transmissão, recebimento de sensibilidade e desempenho da diretividade. Medir a diretividade de um transdutor é geralmente usada para desenhar seu padrão de diretividade. Durante a medição, o transdutor em teste é girado para alcançar o objetivo de medir a resposta de envio ou recebimento do transdutor com o ângulo de azimute e, em seguida, o padrão direcional do transdutor é obtido após a conversão

2 Projeto de circuito

Considerando o método de comunicação ponto a ponto e a taxa de utilização de energia, este artigo adota modulação de sinal de banda dupla (DSB) e desmodulação coerente. O princípio da modulação é mostrado na Equação (1): UDSB = KUC (t) uω (t) (1) O princípio de desmodulação é mostrado na equação (2): uc (t) = udsb (t) uω (t) (2 ) Onde: UDSB é o sinal modulado; uc (t) é o sinal modulado; uω (t) é o sinal da transportadora. A função essencial do circuito de modulação DSB é um multiplicador, que usa o sinal da transportadora para transferir as informações transportadas pelo sinal da banda base. Durante a desmodulação, o sinal modulado é multiplicado por um transportador da mesma frequência e fase e depois passou por um filtro de passagem de banda para obter o sinal original. O dispositivo de conversão de energia necessário para a transmissão de sinal adota o transdutor ultrassônico planar feito neste artigo. O princípio do sistema de circuito de transmissão de transmissão e recebimento é mostrado.

2. 1 módulo de circuito

O microcomputador de chip único STM32F103RC usa o núcleo Cortex-M3 e sua velocidade máxima da CPU é de 72 MHz. Comparado com os microcomputadores de 51 e 52 modelos de chip, a velocidade de execução de instruções é mais rápida, o volume é menor e a integração é fácil. AD9833 é um baixo consumo de energia,

Módulo de geração de sinal programável, que pode ser programado para gerar ondas senoidricamente, quadradas e triângulo em uma certa faixa de frequência. A porta do FSYNC é a porta de gatilho do nível de entrada, que serve como sincronização de quadros e sinal de ativação. Quando o FSYNC é baixo, os dados podem ser transferidos. Além disso, o AD9833 possui um registro de controle de 16 bits. Ao programar o registro de controle, o AD9833 pode funcionar no estado exigido pelo usuário. Usando o microcomputador STM32F103RC Modelo de chip único para controlar o módulo de geração de sinal AD9833 produz menos distorção de onda senoidal. O circuito é alimentado pelo módulo de fonte de alimentação de comutação TPS5430, que pode fornecer tensões estáveis ​​de 5 v e 12 V, evitando a distorção e o atraso da transmissão do sinal.

When the external audio signal enters the drive circuit, it is multiplied with the 150 kHz sine wave generated by the carrier generation module in the multiplier AD835 module (double-sideband modulation step), and then the band-pass filter filters out part of the ruído do sinal de saída multiplicador. O sinal gerado é amplificado pelo amplificador de potência e depois conectado ao transdutor de transmissão e, finalmente, o transdutor de transmissão transmite o sinal para a água. A modulação da banda dupla pode mover o sinal da banda base para a frequência da transportadora para obter multiplexação e melhorar a utilização do canal; Em segundo lugar, expande a largura de banda do sinal, melhora a capacidade anti-interferência do sistema e melhora a relação sinal / ruído. Neste circuito de direção, o amplificador de energia amplifica o sinal para acionar o transdutor a funcionar. O sinal de áudio externo pode ser realizado pela tomada de fones de ouvido de um dispositivo eletrônico, como um telefone celular ou um sinal convertido e conduzido por som externo através de um módulo de microfone.

2. 3 Circuito de recebimento e direção

Após o transdutor de transmissão transmite o sinal de onda sonora para o canal de água, é necessário um circuito de acionamento de recebimento correspondente para receber o sinal no canal de água e restaurar o sinal modulado original. O princípio de trabalho do circuito de acionamento receptor projetado neste artigo. Depois que o circuito de acionamento de recebimento recebe o sinal no canal, ele é passado para o filtro passa-alto através do fio de alta frequência e o ruído gerado pelo circuito e misturado no canal é removido. Em seguida, esse sinal e onda senoidal de 150 kHz são multiplicados no módulo AD835 multiplicador. A saída da operação multiplicadora é transmitida ao filtro de passagem de banda através do cabo coaxial de alta frequência, e o sinal na faixa de frequência necessário é selecionado (etapa coerente de desmodulação). Finalmente, o módulo de amplificador de potência TDA2030A é usado para acionar o módulo do alto -falante e o sinal desmodulado é reproduzido na forma de áudio. Neste sistema, o circuito de transmissão de transmissão e o circuito de acionamento de recepção precisam usar o módulo de estabilização de tensão TPS5430 para garantir a operação estável e estável da tensão de cada módulo e os filtros são todos filtros ativos de 4ª ordem. As ondas transportadoras usadas no processo de modulação e desmodulação são todas da mesma frequência, que é gerada pelo módulo AD9833 ativo após ser programado pelo microcontrolador STM32F103RC.

3 Verificação experimental

3. 1 Verificação de comunicação hidroacústica

Para verificar a função desse sistema, foi realizado um teste de comunicação acústica subaquática em um lago com um raio de cerca de 100 m. Transmitir o transdutor do transmissor e o transdutor de receptor

Os receptores são respectivamente colocados nos dois lados do lago na direção do diâmetro, respectivamente conectados ao circuito de transmissão de transmissão e ao circuito de acionamento de recepção. Como a frequência da voz humana geralmente está na faixa de 8 a 10 kHz, incluindo muitos componentes do tom do tom, o sinal de áudio de uma música é selecionado aleatoriamente como o sinal de modulação. O sinal é exibido por um osciloscópio, o sinal de modulação de áudio original é mostrado na Figura 7 (a) e a saída de sinal de transportadora de 150 kHz por ad9833 é mostrada na Figura 7 (b)

O sinal da transportadora e o sinal de modulação de áudio são inseridos no multiplicador para executar a modulação preliminar. Após ser medido por um osciloscópio, o sinal de saída do multiplicador é mostrado na Figura 8.

De acordo com a exibição de frequência na Figura 8, ela está em conformidade com a lei de modulação de banda dupla. O sinal de saída do multiplicador é inserido no amplificador de potência através do cabo coaxial e a potência do sinal é aumentada em uma faixa de distorção menor para acionar o transdutor a emitir o sinal. Entrada de transdutor de transmissão exibida pelo osciloscópio. O sinal é mostrado na Figura 9.

Pode -se observar na Figura 9 que a rebarba desapareceu, ou seja, o ruído gerado pelo circuito foi filtrado. O transdutor receptor, ou seja, o hidrofone, recebe o sinal do canal, como mostra a Figura 10.

O sinal recebido pelo hidrofone contém sinais de áudio, ruído e parte do sinal sobreposto causado pelo efeito de múltipla e no canal, resultando em falhas e se sobrepõem em algumas formas de onda de sinal. Depois que o sinal recebido é filtrado por um filtro passa-alto para remover ruído de baixa frequência e sinais sobrepostos, ele é desmodulado com uma onda senoidal de 150 kHz em um sistema composto por um multiplicador e um filtro de passa-banda para restaurar o sinal de banda base original e o alto -falante é acionado pelo módulo de amplificador de potência TDA2030A. O sinal de áudio original é transmitido sem distorção. O sinal de áudio de transmissão é o sinal musical original. O sinal de áudio restaurado pelo circuito de acionamento de recebimento é mostrado na forma de onda inferior da Figura 11.

A Figura 11 mostra uma comparação das duas formas de onda. A parte superior mostra o sinal recebido pelo hidrofone e a parte inferior é a forma de onda de sinal de áudio restaurada. O efeito de restauração de áudio é bom. As formas de onda do sinal de áudio original e o sinal de áudio restaurado são comparadas e comparadas com o áudio original e a qualidade real do som do áudio. O resultado mostra que o sistema pode acionar um transdutor hidroacústico planar unidirecional de alta frequência de 150 kHz. O sinal de áudio pode ser transmitido com alta qualidade e o áudio na extremidade da transmissão é claro e estável.

3. 2 verificação de ajuste de frequência

Depois de verificar se o sistema e o transdutor correspondente estão funcionando e funcionando normalmente, um segundo experimento é realizado para verificar a ajuste da frequência do sistema. Programe o módulo de geração de sinal para modificá -lo para corresponder ao transdutor de 300 kHz feito em laboratório. Teste o efeito de transmissão do sinal. O sinal de modulação de áudio é mostrado na Figura 12 (a) e o sinal de áudio recém -restaurado é mostrado na Figura 12 (b).

A forma de onda de sinal detectada pelo osciloscópio representa o sinal de áudio transmitido. Na Figura 12 (b), a parte superior é o sinal recebido pelo hidrofone e a parte inferior é a forma de onda de sinal de áudio restaurada. Ao comparar e analisar os sinais de áudio de entrada e saída do sistema, pode -se observar que o sistema pode transmitir sinais de áudio com alta qualidade, ou seja, o sistema pode se adaptar a sinais de diferentes frequências de ressonância dentro de uma determinada faixa de frequência.

3. Análise do índice de desempenho

Primeiro de tudo, sob a condição de transmissão precisa de alta frequência, a distância de propagação deste sistema é superior a 100 m a 150 kHz, o que excede em muito a distância de comunicação acústica subaquática de menos de 100 metros alcançados por muitos sistemas de comunicação subaquática À custa da qualidade da transmissão de sinal. Em segundo lugar, em termos de desempenho da largura de banda de informações de transmissão, em comparação com muitos sistemas de comunicação acústica subaquática com uma largura de banda de cerca de 200 Hz no mercado, a largura de banda de transmissão desse sistema pode atingir 1,71 kHz, o que evita amplamente a distorção de Sinais de áudio durante a comunicação. Finalmente, em termos de qualidade da comunicação por voz, a clareza da transmissão de voz pela última extremidade de recebimento é usada como padrão de medição. Comparado com muitos equipamentos de comunicação de voz civil da água com grandes ruídos e sinais pouco claros, o sistema é testado nas mesmas condições do lago. O áudio é claro e estável.

4. Conclusão

Este artigo projeta um conjunto de circuitos de comunicação acústica subaquática com base na aplicação prática da comunicação ponto a ponto e comunicação acústica subaquática. Antes de tudo, com base nas teorias relevantes do design do transdutor e nos resultados do laboratório, a estrutura do transdutor é simulada pelo software de simulação de elementos finitos do ANSYS, e o método de corte e enchimento é realizado usando o material sensível ao alto desempenho PZT5-A Como fase de material funcional de cerâmica piezoelétrica, a resina epóxi 618 é a fase de polímero, preenchendo a lacuna da coluna piezoelétrica para fazer transdutor planar hidroacústico do tipo 1-3 do tipo unidirecional. Em seguida, o transdutor fabricado foi usado no sistema de comunicação e um circuito de comunicação acústica subaquática com estrutura estável e comunicação clara foi desenvolvida. Esse circuito pode realizar uma comunicação subaquática eficaz e, devido ao design do circuito de modulação e desmodulação e a frequência ajustável do sinal da transportadora, o circuito também pode ser comparado com a sonda ultrassônica para realizar as funções de detecção e distância de falhas de longa distância medição.