Conception, développement et application du haut débit transducteur acoustique sous-marin

introduction

L'océan n'est pas seulement un trésor important de la pêche et des ressources minérales, mais aussi une position importante pour les pays pour maintenir la sécurité nationale et les luttes militaires. Par conséquent, la technologie acoustique sous-marine est devenue un moyen important pour l'exploration et le développement actuels des ressources marines, la communication sous-marine et la navigation des navires, la détection et la reconnaissance des cibles sous-marines, ainsi que la surveillance environnementale marine et les prévisions de catastrophes naturelles. Latransducteur acoustique sous-marinest le porteur de l'émission et de la réception des ondes sonores dans la technologie acoustique sous-marine, et son niveau technique affecte directement ou même détermine l'effet de réalisation final de la technologie acoustique sous-marine. La détection active du sonar et l'exploration des ressources marines nécessitent des transducteurs à basse fréquence, à haute puissance et petite taille. La simulation de bruit et l'étalonnage du sonar nécessitent des transducteurs acoustiques sous-marins avec des caractéristiques de fréquence ultra-low et ultra-large. Dans le domaine de la communication acoustique sous-marine, des transducteurs acoustiques sous-marins sont nécessaires pour avoir les caractéristiques d'une efficacité élevée, d'une bande ultra-large, d'une sensibilité élevée et d'une bande plate. En général, les transducteurs acoustiques sous-marins se développent vers une basse fréquence, un large bande, une puissance élevée, une petite taille et des eaux profondes. Le transducteur en eau profonde adopte la méthode de rinçage interne pour fonctionner à une profondeur allant jusqu'à 11 000 m et utilise le couplage de la cavité huile interne et des pièces structurelles pour former des vibrations multimode, ce qui élargit la bande de fréquence du transducteur. Une cavité multi-résonante est formée par des tubes ronds débordants de différentes tailles, et la fréquence de travail peut être ajustée en modifiant la taille des tubes ronds pour obtenir un transducteur plus large.

La bande passante de la plage de fréquences est de 200 Hz ~ 2 kHz. Le diamètre dutransducteur hydrophone sous-marinest de 250 mm et la longueur est de 500 mm. La bande de couverture est de 7 à 15 kHz, le niveau de source sonore est de 200 dB, la sensibilité à la réception est de -176 dB et la profondeur sous-marine de travail est de 11000 m. Le transducteur récemment développé a une taille du diamètre est de 240 mm, la longueur est de 420 mm, la bande de fréquence de couverture est de 1,8～8,0 kHz, la réponse de transmission est de 144 dB et la fluctuation de la bande est inférieure à 6 dB. En résumé, les transducteurs acoustiques sous-marins à l'étranger ont couvert toute la bande de fréquences de travail, couvrant même toute la zone d'eau et ont formé une certaine échelle en ingénierie, sérialisation et généralisation, représentant le niveau avancé de l'industrie. Les instituts de recherche nationaux et d'autres unités connexes ont mené de nombreuses recherches et expériences et ont obtenu certains résultats. Cependant, il y a encore une certaine lac rechercher. Exigences de développement. Avec le développement de la technologie de réduction du bruit des navires dans divers pays, le niveau de bruit des navires et des objectifs sous-marins a été progressivement réduit. Les armes et les équipements sous-marins tels que les torpilles utilisent principalement des transducteurs acoustiques sous-marins sous-marins pour étendre la plage de détection et améliorer l'acoustique sous-marine complexe. La capacité de détection et la précision du coup dans le contexte de la réverbération améliorent la capacité de reconnaissance cible sous-marine. En outre, en réponse à diverses marines, agences de renseignement, entités économiques et même des organisations terroristes internationales, dans le déploiement de grenouilles, des véhicules sous-marins autonomes (AUV) et des micro-submarines pour la reconnaissance, le sabotage, les explosions et les opérations de recours miniers sont souvent effectués dans des opérations à petite échelle. Les submersibles sans pilote à distance contrôlés (ROV) et d'autres véhicules sous-marins sont équipés de divers équipements de détection pour la protection de la sécurité, et les exigences spécifiques sont proposées pour les principaux indicateurs techniques de leur sonar. Dans cet article, visant les exigences de détection acoustique des bulles de sillage des navires de surface, un modèle est conçu et développé avec 3～Fonctions de réception et de transmission ultra-large de 100 kHz, qui peuvent effectuer une mesure acoustique sous-marine en temps réel des bulles de sillage des navires à un grand angle d'ouverture, et nécessite que les fonctions de réception et d'envoi sont indépendantes les unes des autres. Et contrôlable, la structure globale doit être compacte, la taille physique est petite et elle est facile à installer et à utiliser sur une petite ROM. Compte tenu des exigences réelles et des conditions de travail réelles, les principaux indicateurs techniques du transducteur décrits dans cet article sont les suivants: 1) La fréquence de transmission est de 3 ~ 100 kHz, et la fréquence de réception est de 1 ~ 100 kHz. 2) le niveau de source sonore d'émission≥189 dB. 3) recevoir une sensibilité≥-180 dB. 4) fluctuation en bande≤6 dB. 5) Largeur du faisceau (horizontal)≥90°(-3db). 6) Largeur du faisceau (vertical)≥70°(-3db). 7) Profondeur d'eau de travail≥500m. 8) Dimensions≤350 mm×150 mm×250 mm. 9) Masse≤10 kg. Parmi eux, ROV est une petite structure de détection, et sa capacité de charge est limitée, donc le transducteur doit être aussi petit que possible, léger et facile à mettre en œuvre sous la prémisse des indicateurs de performance.

2 Conception et développement du transducteur

2.1 Analyse de conception et de simulation du transducteur

Latransducteur cylindrerique sous-marinappartient à une structure distincte de réception et de transmission. L'extrémité d'émission est réalisée en utilisant trois transducteurs de transmission de structure de tige composite, et les bandes de fréquence correspondantes sont 3～18 kHz, 18～45 kHz, 45～100 kHz; L'extrémité de réception est réalisée en utilisant 2 hydrophones de la série de cycles céramiques piézoélectriques, et les bandes de fréquence sont respectivement de 1 à 40 kHz, 40-100kHz. La base de transducteurs transmettant et réceptrice susmentionnée est emballée dans son ensemble, et un déflecteur anti-acoustique est conçu à l'intérieur. Une fois le package intégré, la masse totale est d'environ 9 kg. La forme globale du transducteur est un cuboïde irrégulier. La taille de base est d'environ 310 mm×150 mm×220 mm. L'apparence est illustrée à la figure 1. Le câble principal peut être connecté à un équipement électronique de sonar externe sous forme de connecteurs.

Visant les principales exigences techniques de l'indice du transducteur acoustique sous-marin dans cet article, combinée au schéma de conception ci-dessus, une analyse de simulation de ses performances de transmission et de réception est effectuée. En raison de la structure complexe du transducteur conçu dans cet article et de la couverture de la bande de fréquences larges, les méthodes d'analyse théoriques ne conviennent pas au calcul et à la simulation. Comme nous le savons tous, la méthode des éléments finis est une méthode de simulation numérique largement utilisée dans la pratique de l'ingénierie actuelle. Utilisez un logiciel ANSYS pour simuler une zone d'eau à champ libre et établir un modèle simplifié du transducteur. Sélectionnez un point dans l'unité de champ lointain directement devant le couvercle avant pour calculer la pression acoustique, puis la réponse de tension de transmission du transducteur peut être convertie. Dans l'unité de champ lointain, sélectionnez la pression acoustique dans chaque direction à une certaine distance le long du centre du transducteur pour calculer l'angle ouvert de la directivité d'émission du transducteur. Étant donné que le transducteur de tige composite a une symétrie axiale, un modèle d'élément fini du transducteur axisymétrique 2D est sélectionné pour l'analyse par éléments finis. Lors de l'utilisation du calcul ANSYS, il est nécessaire de considérer l'influence de l'eau sur le transducteur. Habituellement, l'effet équivalent est un water-polo, puis la charge est appliquée pour calculer la solution. Le modèle du transducteur dans l'eau est illustré aux figures 2 et 3 ..

On peut voir à partir des figures 2 et 3 que les transducteurs de transmission sont conçus avec un haut débit à double résonance. Les fréquences de résonance de l'unité de 3 ~ 18 kHz du transducteur d'émission sont de 5 kHz, 14 kHz, et les fréquences résonantes de l'unité de 18 ~ 45 kHz sont de 20 kHz, 40 kHz et les fréquences résonnantes de 45 ~ 100 kHz, 55K. L'unité de 1 à 40 kHz de l'hydrophone récepteur utilise un cycle piézoélectrique, et la fréquence de résonance à un anneau est supérieure à 40 kHz pour assurer une bande de fréquence de travail plate. La série interne à deux séries et la structure à deux parallèles améliore la sensibilité et la stabilité; L'unité 40-100 kHz de l'hydrophone récepteur utilise un matériau composite piézoélectrique, la fréquence de résonance est supérieure à 100 kHz pour assurer la planéité dans la bande. Dans cet article, l'équation d'éléments finis est utilisé comme mu¨+ Cu·+ Ku = f (1) où: m est la matrice de masse; C est la matrice d'amortissement; K est la matrice de rigidité; U est le vecteur de déplacement nodal; F est le vecteur de charge. Le niveau de réponse de tension d'émission TVR est TVR = 20LG P R V + 120 (2) où: P est la pression sonore du nœud; R est la distance entre le nœud et le centre équivalent de la source sonore; V est la tension appliquée. Extraire la pression acoustique P du nœud sur l'axe acoustique dans ANSYS et calculez la courbe de réponse des émissions du transducteur. Dans la conception réelle, la partie transmission du transducteur acoustique sous-marine est composée de trois types de transducteurs de transmission de tige composite, ce qui réalise l'émission directionnelle à large bande et supprime le rayonnement arrière en même temps. Le transducteur d'émission couvre une large plage de fréquences et est principalement utilisé pour la mesure acoustique sous-marine. Il doit avoir une bonne planéité en bande pour assurer la précision de la mesure acoustique sous-marine. En ingénierie, des méthodes telles que l'optimisation de la taille de la tête rayonnante du transducteur ou le contrôle de l'optimisation de phase pour réduire les fluctuations de la bande et la résistance de la série sur la pile en céramique piézoélectrique avant et après la double résonance (ou \" Le transducteur d'émission à double excitation \") est souvent utilisé. , Pour réduire davantage la fluctuation de la réponse de tension de transmission du transducteur dans la bande de fréquences de travail. Cet article considère la taille et la qualité du transducteur monté sur la petite ROM, ainsi que la structure d'installation globale, et adopte principalement la méthode de la littérature pour supprimer la fluctuation de la bande du transducteur de transmission, c'est-à-dire la méthode d'ajustement La résistance de la résistance correspondante. En supposant que la résistance en série des piles de céramique piézoélectrique avant et arrière à l'intérieur du transducteur transmissibles est R1 et R2, respectivement, les valeurs de résistance de R1 et R2 sont ajustées pour contrôler la planéité du transducteur transmis dans la bande. Grâce à une analyse par éléments finis, la réponse aux émissions du transducteur de transmission sous différentes valeurs de résistance est simulée. Prenant le transducteur transmettant à double résonance de 18 ~ 45 kHz conçue à titre d'exemple, l'analyse de simulation montre que la réponse de transmission varie avec la courbe de valeur de résistance comme le montre la figure 4. Il peut être vu à partir de la figure que l'ajustement R1 et R2 peut essentiellement contrôler La planéité dans la bande de fréquence du transducteur d'émission. En optimisant les résistances R1 et R2, on peut conclure que lorsque R1 = 940Ω, R2 = 330Ω, il a une meilleure planéité en bande. (Illustré par la ligne pointillée de la figure 4), et la réponse globale en émission en bande ne change pas beaucoup,

Il peut répondre aux exigences de conception, combinées à la taille physique réelle et à la correspondance d'impédance à large bande, la simulation complète peut obtenir 3 ~ 18 kHz, 18 ~ 45 kHz et 45 ~ 100 kHz des résultats de la simulation de réponse de tension de l'émetteur, comme le montre la figure 5-7. On le voit à partir des Fig. 5-7 que la réponse de tension de l'émetteur du transducteur n'est pas inférieure à 140 dB dans la bande de fréquences, qui répond aux exigences des indicateurs techniques liés à l'entrée de conception, et peut fournir un niveau de source sonore plus large pour la détection acoustique sous-marine longue distance.

La partie réceptrice du transducteur hydroacoustique est réalisée par la combinaison de deux ensembles de réseaux d'hydrophone, chacun adopte une série et une connexion parallèle d'anneaux en céramique piézoélectrique pour atteindre la réception directionnelle. Parmi eux, l'hydrophone de la bande de fréquence à 1 à 40 kHz est fabriqué sous la forme de deux anneaux en céramique piézoélectrique connectés en série. La sensibilité d'un seul hydrophone n'est pas inférieure à -193 dB, et la sensibilité de l'hydrophone après la connexion série n'est pas inférieure à -178 dB. Les résultats de l'analyse de simulation de sensibilité sont présentés dans la figure 8. L'hydrophone n'a pas de directivité horizontale (la directivité ajustée à Baffad peut être appliquée), et la directivité verticale de 3 kHz est d'environ 130°. Les résultats de la simulation sont présentés sur la figure 9. La directivité verticale de 40 kHz est d'environ 73°, et les résultats de la simulation sont illustrés à la figure

11. La partie réceptrice de l'hydrophone dans la bande de fréquence de 40 ~ 100 kHz adopte deux structures de séries de cycles céramiques piézoélectriques. La fréquence de travail peut répondre à l'utilisation de 40 ~ 100 kHz, mais la sensibilité est faible. Après la connexion de la série, la sensibilité de l'hydrophone n'est pas inférieure à -180 dB. Les résultats de la simulation de sensibilité sont les suivants comme le montre la figure 11. Le niveau de l'hydrophone n'a pas de directivité (un déflecteur peut être appliqué pour ajuster la directivité), et la directivité verticale à 100 kHz est d'environ 77°. Les résultats de la simulation sont présentés sur la figure 12

Selon l'analyse de simulation basée sur la méthode des éléments finis, le transducteur combiné conçu dans cet article peut répondre aux exigences d'entrée de conception en termes de transmission et de réception, et les principaux indicateurs techniques sont satisfaits.

2.2 Développement des transducteurs

Le haut débit combinétransducteur acoustique sous-marin sphériqueest installé sur une petite ROM pour une utilisation. Sur la base de la satisfaction des besoins de la détection acoustique du haut débit, il se concentre sur la petite taille et la conception légère. Dans cet article, combiné à la conception globale de la structure d'une petite ROM, le transducteur développé final est illustré à la figure 13. La structure de conception spécifique est illustrée à la figure 14. Le transducteur acoustique sous-marin combiné conçu et développé dans cet article couvre la transmission Plage de fréquences de 3 à 100 kHz, la bande de fréquence de réception de 1 ~ 100 kHz et la masse totale de l'objet physique est de 9,4 kg (dans l'air, y compris le support et le câble de connexion), la taille est de 328,5 mm×140 mm×240 mm, ce qui est inférieur aux exigences de taille et de qualité dans l'entrée de conception, en réduisant les exigences de capacité de charge ROM. Le transducteur est apparié et installé sur le corps ROM, et l'objet réel après l'installation est illustré à la figure 15. Les résultats de l'analyse de simulation peuvent être utilisés comme entrée de référence de conception, mais dans le processus réel de développement et de débogage ultérieur, il doit être ajusté Selon la situation de mesure réelle pour répondre aux exigences d'utilisation réelles.

3 test expérimental

La partie transmission du haut débit combinée sous-marine combinée transducteur acoustique adopte 3 unités verticales pour former une bande de fréquence de travail couvrant 3 ~ 100 kHz, et la partie réceptrice adopte 2 unités indépendantes pour former une bande de fréquence de travail couvrant 1 ~ 100 kHz. La disposition globale de transmission aux deux extrémités et la réception au milieu est adoptée pour garantir l'angle d'ouverture du transducteur. Un déflecteur anti-acoustique est conçu à l'intérieur du transducteur pour réduire la réflexion interne et la superposition du signal acoustique. Dans le même temps, un mécanisme de support réglable est adopté dans la partie de réception, et la hauteur du transducteur de réception est ajustée de manière limitée en fonction de la situation d'essai réelle pour étendre davantage l'angle d'ouverture de réception pour éviter l'occlusion et la réflexion de la coque du transducteur et le corps ROV. Une fois le développement terminé, afin d'obtenir davantage les performances de travail réelles du transducteur, qui est différente de la méthode de test de l'émetteur-récepteur indépendant habituellement utilisé en laboratoire, le test d'indice de performance acoustique global du transducteur est utilisé ici. C'est-à-dire après l'installation de l'ensemble sur le ROV, le test du réservoir du transducteur est effectué dans des conditions de travail réelles simulant pour confirmer davantage que le transducteur est installé sur le ROV et est affecté par la structure ROV, de manière à obtenir le état de fonctionnement réel du transducteur. Paramètres de performance réels. Un test complet a été effectué dans un pool anéchoïque pour vérifier la réalisation de ses indicateurs de performance. Les conditions de test de la piscine d'eau anéchoïque. La température ambiante de la pièce est de 25℃, la longueur du câble d'essai est de 3 m, la profondeur de l'eau est de 3 m, la température de l'eau ambiante est de 20℃, la résistance à l'isolation est de 500 mΩ, la capacité statique est de 51 000 pf, et la distance de test est de 6,2 m. Les résultats de mesure réels sont présentés dans les figures 16

Le ROV est utilisé pour monter un transducteur acoustique sous-marine combiné à large bande pour effectuer une détection acoustique sous-marine à large bande des bulles de sillage d'un navire de surface, et obtenir les caractéristiques acoustiques pertinentes des bulles de sillage et la taille physique du sillage. Dans le test du lac spécifique, le navire de surface a été utilisé pour faire une navigation directe à grande vitesse sur la surface de l'eau. Le navire mesurait 7,5 m de long, 3 m de large et avait un tirage de 0,35 m. L'hélice du moteur externe était de 0,8 m sous l'eau. La zone d'eau d'essai est une zone ouverte d'un lac, la profondeur moyenne de la zone est de 35 m et la vitesse du navire est de 10 nœuds lors du passage du point de mesure. Le ROV est équipé d'un transducteur acoustique sous-marine combiné à large bande dans cet article pour une mesure continue. Dans des mesures répétées, différentes combinaisons de fréquence acoustique sont utilisées pour la détection, et les résultats de mesure de la distribution de bulles de sillage sont obtenus, comme le montre la figure

On peut voir sur la figure 18 que la mesure réelle de la taille de bulle du sillage du navire est concentrée dans la haute densité de 10-20μm. Le résultat de la mesure est cohérent avec la densité du nombre de bulles la plus élevée dans le sillage donné par la littérature avec un rayon de 10-20μM, qui prouve que le transducteur. L'appareil répond aux exigences de test dans l'environnement de travail réel. Dans le même temps, le transducteur est utilisé pour mesurer en continu la couche de bulle de sillage formée après les voiles de surface du navire, et selon les informations obtenues d'intensité de cible acoustique de bulle de sillage, combinée avec l'environnement acoustique sous-marin actuel (comme la vitesse sonore, la profondeur de l'eau , etc.) et des données antérieures (telles que la sensibilité du transducteur, le gain de circuit au niveau de la source sonore d'émission, etc.), estimé selon l'algorithme de traitement correspondant, et ont obtenu la courbe de résistance à la bulle avec la profondeur et le temps comme indiqué à la figure 19. Il Peut être vu sur la figure 19 que la durée de la bulle de sillage est d'environ 173 s, et l'épaisseur réelle de la bulle de sillage de mesure est de 1,46 m, ce qui est fondamentalement cohérent avec la formule empirique donnée par la formule de calcul de sillage conventionnelle. En résumé, grâce au test de mesure global dans le pool anéchoïque, les résultats de mesure montrent que les performances réelles du transducteur sont fondamentalement cohérentes avec les résultats de simulation. Il est installé sur la plate-forme ROV et vérifié par le test de navigation réel sur le lac. Les résultats des tests montrent que le transducteur couvre une large bande de fréquences, a une petite structure et les résultats de mesure sont essentiellement cohérents avec les formules empiriques. Les données de mesure sont crédibles et peuvent répondre aux exigences des bulles de réveil des navires de surface.

4. Conclusion

Cet article propose une méthode combinée de conception de transducteurs intégrée, avec une bande de fréquence de fonctionnement à large bande à basse fréquence à haute fréquence, qui est caractérisée en ce que l'extrémité de transmission peut couvrir 3 ~ 100 kHz, les housses d'extrémité de réception 1 ~ 100 kHz et l'angle d'ouverture n'est pas inférieur à 70°; Adopter une disposition séparée de l'émetteur-récepteur, transmettant aux deux extrémités, recevant concentré au centre, conception de la structure interne acoustique de chicane; Les composants internes du transducteur sont intégrés et sortent à travers un connecteur étanche, réduisant la complexité des connexions externes; Grâce à la structure de support centrale du transducteur, le centre global de gravité du transducteur peut être ajusté, ce qui est pratique pour l'adaptation et l'installation de petits véhicules sous-marins tels que ROV; La disposition ouverte du transducteur, la charge mécanique à travers le support métallique, réduit l'ensemble du transducteur La qualité et la taille de l'appareil améliorent l'ajustement. Ce transducteur présente les avantages d'une large bande de fréquence de travail, d'un angle d'ouverture plus grand et d'un poids plus léger sous la restriction de la petite taille. Il a été appliqué avec succès à une petite ROM, qui résout le problème des tests acoustiques sous-marins ultra-larges sur une petite plate-forme ROM. A une grande valeur militaire et civile.