Conception d'un circuit de conduite et de réception basé sur un transducteur acoustique sous-marin

Partant des besoins des communications sous-marines militaires et des communications civiles sous-marines, un plan plan uniquetransducteur hydroacoustique sous-marinAvec une fréquence de résonance de 150 kHz a été fabriquée et les circuits d'entraînement de l'émetteur et du récepteur du transducteur ont été conçus sur la base du principe de communication point à point. Le transducteur acoustique sous-marin est placé dans la zone d'eau et connecté au circuit pour réaliser la fonction de communication sous-marine longue distance. Le circuit a été testé sur une plate-forme expérimentale auto-conçue. Les résultats des tests montrent que le transducteur fabriqué a une réponse et une sensibilité à la tension d'émission plus élevée, une directivité unique et le circuit de communication acoustique sous-marin a une fréquence réglable, et la communication est claire et stable. Le circuit de communication acoustique sous-marine peut être utilisé pour les communications militaires et civils, et est facile à déplacer et à transporter, et facile à déboguer. En raison de l'absorption des ondes électromagnétiques, des ondes légères et d'autres formes énergétiques par l'eau de mer et l'existence de \"zones de convergence \" en mer profonde \", les ondes sonores sont actuellement la seule forme d'énergie connue qui peut transmettre des signaux sans fil sur de longues distances sous l'eau. Les ondes sonores avec une fréquence de vibration supérieure à 20 kHz sont appelées ondes ultrasoniques. Par rapport aux ondes sonores ordinaires, les ondes ultrasoniques ont une meilleure directivité, une puissance pénétrante plus forte et de meilleures performances de réflexion. Par conséquent, ils sont largement utilisés dans la transmission des informations, la détection des dommages, les tests de distance et les domaines médical et de santé. Mais dans le processus de propagation, la perte d'énergie de l'onde sonore dans le canal d'eau augmente avec l'augmentation de la fréquence, de sorte que la bande passante disponible du canal d'eau est étroite et que la capacité d'information est petite. Par conséquent, les performances du circuit d'entraînement d'émission et de réception jouent un rôle essentiel dans la qualité de la communication acoustique sous-marine. Au siècle dernier, la Harris Acoustic Products Company, France, et le Royaume-Uni ont développé des communicateurs hydroacoustiques adaptés aux communications des navires sous-marins. Ils ont utilisé une modulation à bande unique et utilisé des hydrophones à grand volume comme \"fenêtre \" pour la transmission et la réception du signal. , Pour atteindre une certaine distance de communication sous-marine, mais l'équipement est complexe, le transducteur est grand et la directivité n'est pas assez nette, pas adaptée à une utilisation civile; Assemblé dans un système de communication analogique basé sur le logiciel de traitement du signal Linux, sur la communication longue distance du simulateur de canal est réalisé, mais le canal de conception idéal est différent du canal d'eau réel; D'autres ont construit un système de communication sous-marine basé sur le spectre de diffusion de séquence de mappage parallèle, en utilisant la puce DSP comme module de traitement de l'information, réalisant ainsi une transmission sous-marine sous-marine et à grande vitesse des informations entre les plates-formes. Cependant, la minuterie 555 est traditionnellement utilisée pour générer une onde porteuse avec une fréquence de vibration spécifique pour conduire le circuit d'entraînement du transducteur, et la stabilité de la fréquence de forme d'onde générée est relativement médiocre; Et la technologie de traitement des puces DSP récemment émergente a des algorithmes complexes et doit être effectué pour différentes eaux. La modification et la rémunération complexes du calcul ne conviennent pas à une promotion à grande échelle dans le domaine civil. De plus, les sondes utilisées dans les appareils d'émetteur-récepteur de signal de circuit de communication qui ont été développées ne sont pas suffisamment nettes, la puissance n'est pas concentrée et la bande passante est relativement étroite, ce qui n'est pas propice à la transmission et à la réception du signal. Cependant, la plupart des émetteurs-récepteurs à ultrasons ne conviennent pas au fonctionnement du canal d'eau et ne peuvent pas répondre aux besoins réels des civils et militaires.

1) basé sur un petit volumetransducteur acoustique sous-marin unidirectionnel, Cet article utilise une modulation à double bande et des méthodes de démodulation cohérentes pour développer un circuit d'entraînement d'émission et de réception adapté à la communication sous-marine. Le circuit de communication acoustique sous-marine a une utilisation de bande à haute fréquence et réglable en fréquence, adapté à 0 kHz ~ 12. Le transducteur de plage de fréquence à 5 MHz a une distance de communication allant jusqu'à 100 mètres. Le circuit de transmission et de conduite, le circuit de réception et de conduite, et le transducteur et l'hydrophone de transmission dans le circuit forment ensemble un ensemble de système de communication hydroacoustique. Le système utilise l'émetteur et l'hydrophone comme \"Window \" pour l'échange de signal, utilise STM32F103RCT6 et AD9833 comme source de signal de porteuse et combine les composants du modem pertinents pour finalement obtenir une communication stable et claire.

1 production de transducteurs

Le matériau composite piézoélectrique 1-3 fait référence à un matériau formé par des colonnes en céramique piézoélectrique connectée unidimensionnelle disposées en parallèle dans un polymère connecté tridimensionnel. Par rapport aux matériaux piézoélectriques en céramique pure 1-3 matériaux composites piézoélectriques, il a de meilleurs effets dans la détection des dommages et la production de transducteurs transmissibles et récepteurs. Par conséquent, le module d'émetteur-récepteur d'onde acoustique de ce système adopte un transducteur ultrasonique plane composé de matériaux composites piézoélectriques 1-3 développés en laboratoire, qui est composé d'une couche complexe à composite piézoélectrique 1-3, une couche sonore étanche sound-perméable, une couche sound-perméable, une couche sound-perméable, une couche, une couche sound-sons, une couche, une couche sound-sons, une couche, une couche sound-sons, une couche, une couche sound-sons, une couche, une couche sound-sons, une couche, une couche sound-sons, une couche, une couche sound-perméable, une couche Sound-Permeable, une couche, une couche sound-sons, une couche, une couche sound-perméable, une couche, une couche sound-sons, une couche, une couche sound-perméable, une couche Soundable. Lead de l'électrode et un composé rigide de mousse de haute qualité et de couvercle métallique. Avant de fabriquer le transducteur, il est nécessaire d'utiliser un logiciel de simulation par éléments finis ANSYS pour l'architecture du modèle et le calcul de simulation.

Simulation de 1-3 capteur composite piézoélectrique

Dans le logiciel de simulation par éléments finis ANSYS, définissez d'abord le type d'unité, la densité, le rapport de Poisson et le module Young de la résine époxy et définissent la densité, la matrice de rigidité, la matrice constante diélectrique et la matrice piézoélectrique de la céramique piézoélectrique. Deuxièmement, définissez la structure du modèle de matériau composite piézoélectrique 1-3: un plan d'une longueur de 100 mm, une largeur de 100 mm et une épaisseur de 10 mm, dans laquelle la largeur de la phase polymère est de 0,8 mm , la largeur de la colonne en céramique piézoélectrique est de 1,44 mm, la hauteur est de 10 mm. De cette façon, la fraction volumique de la petite colonne en céramique piézoélectrique PZT dans le matériau composite est de 51. 84%. Étant donné que le modèle du matériau composite 1-3 contient des matériaux en deux phases, la quantité de calcul est importante lorsque le calcul de simulation est effectué. Afin de réduire la quantité de calcul, une unité du matériau composite piézoélectrique 1-3 est sélectionnée pour le calcul de simulation. Le diagramme de structure du modèle de matériau composite piézoélectrique 1-3 et le diagramme tridimensionnel de la colonne en céramique piézoélectrique sont les suivants:

1 à 3 éléments de matériau composite piézoélectrique sont maillés et des conditions aux limites de symétrie sont ajoutées à la limite autour de l'axe z (longueur) de l'élément, et une tension de 1 V est ajoutée à la surface supérieure de la céramique piézoélectrique dans la direction positive de L'axe z, z = 0 ajoute une tension de 0 V à la surface inférieure. Définissez le type d'analyse de fréquence et sélectionnez la plage d'analyse de fréquence (50 ~ 250 kHz) et le nombre d'étapes), puis résolvez et post-processus, Le diagramme d'admission obtenu est illustré à la figure 2. On peut voir sur la figure 2 que le transducteur répond aux exigences de fréquence, et les composants sensibles peuvent être fabriqués en fonction des paramètres définis.

Le capteur composite piézoélectrique de type 1-3 est en blocs de céramique piézoélectrique avec une longueur de 100 mm, une largeur de 100 mm et une épaisseur de 10 mm. Couper dans les directions de longueur et de largeur en fonction de la conception du modèle, puis injecter la résine époxy 618. Après avoir debout pendant 24 heures, effectuez la même coupe sur le côté inverse pour polir l'excès de résine époxy dans la direction de l'épaisseur pour faire un 1- 3 type. Matériau composite piézoélectrique. Utilisez de l'alcool pour nettoyer la surface du matériau composite et appliquez de la pâte d'argent pour compenser l'électrode détruite en polissant la résine époxy, et enfin faites l'élément sensible au matériau composite 1-3 piézoélectrique. Utilisez l'analyseur d'impédance Agilent 4294A pour tester les composants sensibles. Les résultats des tests montrent que la bande passante du capteur de matériau composite piézoélectrique de type 1-3 est 1 lorsque la fréquence de résonance est de 151 kHz. 71 kHz, l'impédance acoustique est de 17. 47 pa · s / m3, la valeur de conductivité est de 104. 6 ms, le coefficient de couplage électromécanique est 0. 68. Le facteur de qualité mécanique est 88. 18. Le résultat du matériau sensible est bon.

1.3 Fabrication de planaires unidirectionnels à haute fréquencetransducteur hydro-acoustique sous-marinAjouter du graphite au polyuréthane dont le composant principal est la résine époxy et remuer pour fabriquer la couche étanche requise perméable, et faire le moule en fonction de la taille du transducteur pour verser et sceller, et finalement faire une planaire unidirectionnelle à haute fréquence sous-marine transducteur.

1. 4 Test de performance du transducteur

Le test des performances du transducteur comprend principalement la mesure de sa réponse de tension de transmission, la sensibilité et les performances de la directivité. La mesure de la directivité d'un transducteur est généralement utilisée pour dessiner son modèle de directivité. Pendant la mesure, le transducteur testé est tourné pour atteindre le but de mesurer la réponse d'envoi du transducteur ou de recevoir une sensibilité avec l'angle d'azimut, puis le modèle directionnel du transducteur est obtenu après la conversion

2 Circuit Design

Compte tenu de la méthode de communication point à point et du taux d'utilisation de puissance, cet article adopte la modulation du signal à double bande (DSB) et la démodulation cohérente. Le principe de modulation est indiqué dans l'équation (1): UDSB = KUC (t) Uω (t) (1) Le principe de démodulation est représenté dans l'équation (2): UC (T) = UDSB (T) Uω (t) (2 ) Où: UDSB est le signal modulé; UC (T) est le signal modulé; Uω (t) est le signal porteur. La fonction essentielle du circuit de modulation DSB est un multiplicateur, qui utilise le signal porteur pour transférer les informations transportées par le signal de bande de base. Pendant la démodulation, le signal modulé est multiplié par un porteur de la même fréquence et de la même phase, puis est passé à travers un filtre passe-bande pour obtenir le signal d'origine. Le dispositif de conversion d'énergie requis pour la transmission du signal adopte le transducteur ultrasonique planaire réalisé dans cet article. Le principe du système de circuit d'entraînement de transmission et de réception est illustré.

2. 1 module de circuit

Le micro-ordinateur unique STM32F103RC utilise le noyau Cortex-M3, et sa vitesse maximale de CPU est de 72 MHz. Par rapport aux micro-ordinateurs à mon seul modèle du modèle 51 et 52, la vitesse d'exécution de l'instruction est plus rapide, le volume est plus petit et l'intégration est facile. AD9833 est une faible consommation d'énergie,

Module de génération de signaux programmables, qui peut être programmé pour générer des ondes sinusoïdales, carrées et triangulaires dans une certaine plage de fréquences. Le port FSYNC sur lui est le port de déclenchement de niveau d'entrée, qui sert de signal de synchronisation et d'activation du cadre. Lorsque FSYNC est faible, les données peuvent être transférées. De plus, AD9833 a un registre de contrôle 16 bits. En programmant le registre de contrôle, AD9833 peut fonctionner dans l'état requis par l'utilisateur. L'utilisation d'un micro-ordinateur à puce unique du modèle STM32F103RC pour contrôler le module de génération de signal AD9833 produit moins de distorsion d'onde sinusoïdale. Le circuit est alimenté par le module d'alimentation de commutation TPS5430, qui peut fournir des tensions stables de 5 V et 12 V, en évitant la distorsion et le retard de la transmission du signal.

Lorsque le signal audio externe entre dans le circuit d'entraînement, il est multiplié par l'onde sinusoïdale de 150 kHz générée par le module de génération de porteurs dans le module AD835 multiplicateur (étape de modulation à double bande), puis le filtre de bande passante filtre la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie de la partie bruit du signal de sortie multiplicateur. Le signal généré est amplifié par l'amplificateur de puissance, puis connecté au transducteur de transmission, et finalement le transducteur transmissible transmet le signal dans l'eau. La modulation à double bande peut déplacer le signal de bande de base vers la fréquence porteuse pour atteindre le multiplexage et améliorer l'utilisation des canaux; Deuxièmement, il élargit la bande passante du signal, améliore la capacité anti-interférence du système et améliore le rapport signal / bruit. Dans ce circuit de conduite, l'amplificateur de puissance amplifie le signal pour conduire le transducteur au travail. Le signal audio externe peut être de la musique menée par la prise d'écouteurs d'un appareil électronique, comme un téléphone mobile, ou un signal converti et mené par un son externe via un module de microphone.

2. 3 Circuit de réception et de conduite

Une fois le transducteur transmissible transmet le signal d'onde sonore au canal d'eau, un circuit d'entraînement de réception correspondant est nécessaire pour recevoir le signal dans le canal d'eau et restaurer le signal modulé d'origine. Le principe de travail du circuit d'entraînement de réception conçu dans cet article. Une fois que le circuit d'entraînement de réception a reçu le signal dans le canal, il est passé au filtre passe-haut à travers le fil haute fréquence, et le bruit généré par le circuit et mélangé dans le canal est retiré. Ensuite, ce signal et l'onde sinusoïdale de 150 kHz sont multipliés dans le module Multiplicateur AD835. La sortie du fonctionnement du multiplicateur est transmise au filtre passe-bande via le câble coaxial haute fréquence, et le signal dans la plage de fréquence requis est sélectionné (étape de démodulation cohérente). Enfin, le module d'amplificateur de puissance TDA2030A est utilisé pour conduire le module de haut-parleur, et le signal démodulé est lu sous forme d'audio. Dans ce système, le circuit d'entraînement de transmission et le circuit d'entraînement de réception doivent utiliser le module de stabilisation de la tension TPS5430 pour assurer le fonctionnement stable et stable de la tension de chaque module, et les filtres sont tous des filtres actifs du 4ème. Les ondes porteuses utilisées dans le processus de modulation et de démodulation sont toutes de la même fréquence, qui est générée par le module AD9833 actif après avoir été programmé par le microcontrôleur STM32F103RC.

3 Vérification expérimentale

3. 1 Vérification de la communication hydroacoustique

Afin de vérifier la fonction de ce système, un test de communication acoustique sous-marine a été effectué dans un lac avec un rayon d'environ 100 m. Transmettre le transducteur de l'émetteur et le transducteur du récepteur

Les récepteurs sont respectivement placés sur les deux côtés du lac dans le sens du diamètre, respectivement connectés au circuit d'entraînement de transmission et au circuit d'entraînement de réception. Étant donné que la fréquence de la voix humaine est généralement dans la plage de 8 à 10 kHz, y compris de nombreux composants de dépassement, le signal audio d'une chanson est sélectionné au hasard comme signal de modulation. Le signal est affiché par un oscilloscope, le signal de modulation audio d'origine est illustré à la figure 7 (a), et la sortie du signal porteur de 150 kHz par AD9833 est illustrée à la figure 7 (b)

Le signal de la porteuse et le signal de modulation audio sont entrés au multiplicateur pour effectuer une modulation préliminaire. Après avoir été mesuré par un oscilloscope, le signal de sortie du multiplicateur est illustré à la figure 8.

Selon l'affichage de la fréquence de la figure 8, il est conforme à la loi de modulation à double bande. Le signal de sortie du multiplicateur est entrée dans l'amplificateur de puissance à travers le câble coaxial, et la puissance du signal est augmentée dans une plage de distorsion plus petite pour conduire le transducteur pour sortir le signal. Transmettre l'entrée du transducteur affiché par oscilloscope. Le signal est illustré à la figure 9.

On peut observer dans la figure 9 que la bavure a disparu, c'est-à-dire que le bruit généré par le circuit a été filtré. Le transducteur de réception, c'est-à-dire l'hydrophone, reçoit le signal du canal comme le montre la figure 10.

Le signal reçu par l'hydrophone contient des signaux audio, du bruit et une partie du signal superposé provoqué par l'effet de trajectoire multiples dans le canal, entraînant des problèmes et des chevauchements dans certaines formes d'onde de signal. Une fois que le signal reçu a été filtré par un filtre passe-haut pour éliminer le bruit à basse fréquence et les signaux superposés, il est démodulé avec une onde sinusoïdale de 150 kHz dans un système composé d'un multiplicateur et d'un filtre passe-bande pour restaurer le signal de bande de base d'origine et le haut-parleur est entraîné par le module d'amplificateur de puissance TDA2030A. Le signal audio d'origine est diffusé sans distorsion. Le signal audio de diffusion est le signal musical d'origine. Le signal audio restauré par le circuit d'entraînement de réception est illustré dans la forme d'onde inférieure de la figure 11.

La figure 11 montre une comparaison des deux formes d'onde. La partie supérieure montre le signal reçu par l'hydrophone, et la partie inférieure est la forme d'onde de signal audio restaurée. L'effet de restauration audio est bon. Les formes d'onde du signal audio d'origine et le signal audio restauré sont comparées et comparées à l'audio d'origine et à la qualité sonore audio réelle. Le résultat montre que le système peut entraîner un transducteur hydro-acoustique planaire unidirectionnel à haute fréquence. Le signal audio peut être transmis de haute qualité, et l'audio à l'extrémité de diffusion est clair et stable.

3. 2 Vérification de l'ajustement des fréquences

Après avoir vérifié que le système et le transducteur apparié fonctionnent et fonctionnent normalement, une deuxième expérience est réalisée pour vérifier la réglage de la fréquence du système. Programmez le module de génération de signaux pour le modifier pour correspondre au transducteur de 300 kHz fabriqué en laboratoire. Testez l'effet de transmission du signal. Le signal de modulation audio est illustré à la figure 12 (a), et le signal audio nouvellement restauré est illustré à la figure 12 (b).

La forme d'onde de signal détectée par l'oscilloscope représente le signal audio transmis. Dans la figure 12 (b), la partie supérieure est le signal reçu par l'hydrophone, et la partie inférieure est la forme d'onde de signal audio restaurée. En comparant et en analysant les signaux audio d'entrée et de sortie du système, on peut voir que le système peut transmettre des signaux audio de haute qualité, c'est-à-dire que le système peut s'adapter aux signaux de différentes fréquences de résonance dans une certaine plage de fréquences.

3. Analyse de l'indice des performances

Tout d'abord, dans la condition d'une transmission précise à haute fréquence d'informations, la distance de propagation de ce système est supérieure à 100 m à 150 kHz, ce qui dépasse de loin la distance de communication acoustique sous-marine de moins de 100 mètres atteints par de nombreux systèmes de communication sous-marine Au détriment de la qualité de la transmission du signal. Deuxièmement, en termes de performance de la bande passante d'informations de transmission, par rapport à de nombreux systèmes de communication acoustique sous-marine avec une bande passante d'environ 200 Hz sur le marché, la bande passante de transmission de ce système peut atteindre 1, 71 kHz, ce qui évite en grande partie la distorsion de signaux audio pendant la communication. Enfin, en termes de qualité de la communication vocale, la clarté de la diffusion vocale par la dernière fin de réception est utilisée comme norme de mesure. Comparé à de nombreux équipements de communication de la voix de l'eau civile avec un grand bruit et des signaux peu clairs, le système est testé dans les mêmes conditions de lac. L'audio est clair et stable.

4. Conclusion

Cet article conçoit un ensemble de circuits de communication acoustique sous-marine basés sur l'application pratique de la communication point à point et la communication acoustique sous-marine. Tout d'abord, sur la base des théories pertinentes de la conception du transducteur et des résultats du laboratoire, la structure du transducteur est simulée par le logiciel de simulation par éléments finis ANSYS, et la méthode de coupe et de remplissage est effectuée en utilisant le matériau sensible à haute performance PZT5-A En tant que phase de matériau fonctionnel en céramique piézoélectrique, la résine époxy 618 est la phase polymère, comblant l'écart de la colonne piézoélectrique pour faire un transducteur planaire hydro-acoustique unidirectionnel de type 1-3. Ensuite, le transducteur fabriqué a été utilisé dans le système de communication, et un circuit de communication acoustique sous-marine avec une structure stable et une communication claire a été développé. Ce circuit peut réaliser une communication sous-marine efficace, et en raison de la conception du circuit de modulation et de démodulation et la fréquence réglable du signal porteur, le circuit peut également être adapté à la sonde à ultrasons pour réaliser les fonctions de détection et de distance des défauts à longue distance la mesure.