水声换能器在海底通信中的研究

水声换能器在海底通信中的研究 实现智能封堵器的水上水下通讯系统，以完成平台的遥控操作。由于海向(声轴方向)上离其有效声中心参考距离上所产生的自由场声 P压与 f 洋环境的特殊性，采用了水声无线通信方式。水声通信系统不同于传统换能器输入端的激励电压有效值 V 的比值。 的无线通信系统，它必须通过非常特殊的水声信道，即通过海水媒质传 P(1m)?df0 S = (Pam/v)?v [1]V 输信息。海水媒质极为复杂多变，传播过程中媒质对声能的吸收和波 参考距离 d=1m，S的分贝表示成为发射电压响应级: 0v 阵面的扩展导致信号的衰减;海面和海底对声波的散射和反射导致了 Sv 多径现象;还有海水媒质的不均匀性以及水下存在大量的干扰噪声，都 SL=20lg(dB)v(S)基准值(S)=1μPam/v。 ?[1]vref vref换能将使水声信号产生畸变。本文的主要工作完成了在通信过程中起着重 器还有其他的一些特性，如指向性等。 要转换作用的水声换能器的研究以及选型工作，并且通过水试实验确 3.水声换能器 FS Q- 37 定了信号的水下传输频率。经过调研和选型，本文水试实验中采用的水声发射换能器是中国 科学院水声研究所研制的浅海圆柱型压电陶瓷换能器 FSQ-37 。压电陶 瓷换能器是当前水声领域中广泛使用的一类换能器。其主要优点为:(1) 当它工作在发射状态时，它可作为强功率辐射器，其电声效率也较高， 约在 30- 70%之间;(2)当它工作在接收状态用作接收器时，它有较高的 接收灵敏度，约几十至几百微伏/ 帕;(3)它可作为各种形状的换能器， 如复合棒型、柱型和球型等换能器。具有结构简单、工作性能稳定的特[6] 点。 发射换能器外观见图 2。 图 1 智能封堵器通信过程示意图 水声换能器是实现电声能量相互转换的器件，根据用途可分为发 射器和接收器(或水听器)。智能封堵器通信信号流程如图1 所示。此通 信系统主要研究的是从母船或平台计算机操作界面发出指令数据，将 数字信号经由 modem转换调制成模拟 信号，经过功率放大匹配电路， 送至水声换能器，转换成声信号。作为 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 水声领域的重要研究方向， 水声换能器及其基阵是多门学科的综合利用，涉及到水声学、物理学、 电子学、机械学、材料学甚至化学的有关知识。它的研究为解决水下信 [2] 息的可靠传输和交换提供了重要的技术保障。 图 2 发射换能器 FSQ-37 2.水声换能器的主要性能参数水试实验中所用的 FSQ- 37圆柱型压电陶瓷换能器的主要参数见 在水声换能器的选型过程中考虑的主要性能参数有:(1 )工作频率 表 1。 换能器的工作频率是在特定的条件下依据声纳方程来选定的，并 表 1 发射换能器主要参数且其他一些重要的性能指标如指向性、发射声功率和接收灵敏度等均 [3]随频率变化。对于发射器来讲，一般皆使它工作在谐振基频上以获得 波束宽度垂直方向椭圆形能场分布大功率发射和高效率特性。对于水听器来说，则希望它工作在具有平坦 见图 3发射灵敏度的接收响应的频段上。 见图 4接收灵敏度(2)频带宽度 Δf 和机械品质因素 Q m 谐振点并联电阻Ro=20Ω 1 Δf 频带宽度 Δf 与品质因素 Q有如下关系:= ，其中 f是机械m 0 Qf共振频率。品质因圆柱型水声换能器的发射响应和接收灵敏度见图 3 和 4。 m 0 素 Q与换能器的材料、结构尺寸、机械损耗及辐射阻 m 抗有关，机械损小，则 Q愈低，耗和辐射阻抗愈大以及在共振频率附近的等效质量愈 m 带宽变宽。 (3)自由场接收电压灵敏度 自由场是指均匀、各向同性、没有边界 的媒质，而实际中只是近似 [4] 是换能器输出端的开路电自由场，如消声水池。自由场电压灵敏度M e压 e与声场中引入换能器前在放置换能器位置处的自由场声P压的 0 j 比值，表示为 M=e/P，而自由场电压灵敏度级定义为:e0j e0 ML=20lg( )- 120(dB)ePj 其基准值为 1V/μPa。 (4)自由场发 (下转第 532 页) 图 3 发射响应 射电压响应 序在两次中断间执行所产生的时间误差，因此重装的初值为 3CC2H。然 后将存放在 55H的秒的个位数取出 ，查表所得到了相应的数码管的段 码，直接送到 P1 端口输出，然后再将对应的位码(选择第 6 个数码管显 后开始循环计数，即 num加 1,当 num加 到 20 的时候，T0 就产生了 1s 示)送到 P2 端口输出并调用延时子程序。 的中断，然后开始执行 num清零和秒单元 加 1，再开始判断秒，分，时是 2.5 整点报时子程序设计 否要进位或清零的程序。具体的程序流程图如图 4 所示。 在整点报时子程序中(定义 P3.4 为整点报时的输出口)，首先判断 2.3 秒表控制子程序设计在秒表计时的过程中, 时钟运行时的秒单元储存的是以 1/100s 为 分和秒是否都为 0，如果都为 0 的话，给 P3.4输出低电平 ，使蜂鸣器发 一个单位变化的秒数 ，而分单元储存的则是秒表计时的秒数，而时单元 出嘀声，持续时间为 1s。如果还没有到整点的话(即分和秒的值相加不 为 0)，就返回到主程序执行下个操作。 储存的则是秒表计时的分钟数。 在秒表控制子程序中，使用定时器 T1 产生中断，保护现场后给 T1 2.6 秒表显示子程序设计 在秒表显示子程序的设计中，基本和时 装入初值 D8F0H，即产生一次中断为 10ms。当 T1 产生中断的时候，就 钟显示子程序过程类似，只 是在秒表显示子程序中加入了一个延时程序，使得 LED 数码管可以固 转到 T1 中断入口执行中断程序。先保护现场再重装初值，后使秒单元 定显示秒表计时的数字，持续时间为 2s。而如果不添加这个秒表显示子 内容加 1，并判断秒单元内容是否为 100，如果小于则恢复现场并从中 断返回，如此循环直到秒单元内容等于 100。当秒单元内容为 100 时使 程序而直接调用原先的时钟显示子程序的话，秒表计时的结果就不是 固定不动的显示了，会由于时钟的运行显示而被覆盖。秒单元清零，分单元加 1 再判断分是否要进位。当分单元的值小于 60 时就恢复现场和中断返回，等下次中断后再重新执行。当分单元的内容 3.系统调试3.1 电路连接部分测试 首先要测试各器件本身是否能正常工作，等于 60 的时候，给时单元加 1 并给分单元清零，然后再判断时单元内 容是否等于 60，如果小于 60 的话就恢复现场和中断返回，等下次中断 画出元器件的引脚图，然 后再将元器件按照原理图排列并连好所有导线，并用万用表测试各连后再重新执行。如果等于 60 的时候，就给时单元清零并显示然后跳出 中断。具体的程序流程图如图 5 所示。 接导线是否能够正常导通，确保单片机能正常工作和硬件电路连接正 确后开始进行实物调试。 3.2 数字时钟实物的运行与调试 首先是软件调试，在单片机开发综合实验装置上进行硬件仿真来 调试程序是否正确执行。试运行后，根据时钟运行情况来做一些相应的 修改，比如说，时钟显示不稳定，易乱跳，显示乱码，是由于单片机的运 行与程序的执行不能同步进行造成的，如某些需要复位的地方单片机 没有立即复位就执行下一操作，造成了单片机运行混乱，因此应该将程 序做一些修改，尽量减少跳转指令的使用而采用调用子程序的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 来 代替。而在修改了程序之后，时钟的运行就稳定了很多。其次是实物调试，测试线路确定无误时连接 5V 电源调试。当连接 到 5V 电源的时候，数码管显示模糊不清，亮度很小，这是由于单片机管 脚的输出电流太小不能够完全驱动数码管，因此需要在 P1 的每个端口 并联一个 1K 的电阻使数码管有足够的亮度来显示。 4.总结 设计采用单片机 AT89C51作为核心控制 器，实现具有时钟、校时、 秒表、整点报时功能的数字时钟。随着人们生活水平的提高，人们对数 字钟的要求越来越高，由单一的计时功能发展到现在有各种功能的数 字时钟。而用单片机作为数字时钟的控制核心可以使硬件电路简单稳 定，减小电磁干扰和其他环境干扰，充分发挥软件编程的优点，减少因 图 5 定时器 T1 的程序流程图 元器件精度不够而引起的误差。 2.4 数字处理及显示子程序设计 在数字处理子程序的设计中，首 先将时单元的内容即小时数读出 参考文献 到 A 中，然后将小时数的十位和个位分开储存在 50H 和 51H这两个 地 1,张毅刚，彭喜元，姜守达，乔立岩.新编 MCS- 51单片机应用 设 ,计,M,.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004. 址中，然后再将分单元的内容即分钟数读出到 A 中，然后将分钟数的十 ,2,雷思孝，冯育长.单片机系统设计及工程应用,M,.陕西:西安电 位和个位分开储存在 52H和 53H这两个地址中 ，最后再将秒单元的内 容即秒数读出到 A 中，然后将秒数的十位和个位分开储存在 54H 和 子科技大学出版社，2005.,55H这两个地 址中。将数字分开存放是为了好在显示子程序中一位一 3,戴胜华，蒋大明，杨世武等.单片机原理与应用,M,.北京:清华大 学出版社,北京交通大学出版社,2006. 位数字进行显示。在时钟显示子程序的设计中，首先将存放在 50H 的小时的十位数 ,4,周立功.单片机实验与实践,M,.北京:北京航空航天大学出版 取出，查表所得到了相应的数码管的段码，直接送到 P1 端口输出，然后 社,2004.在将对应的位码(选择左起第 1 个数码管显示)送到 P2 端口输出并调 ,5,严天峰.单片机应用系统设计与仿真调试,M,.北京:北京航空航 用延时子程序，在将存放在 51H 的小时的个位数取出，查表所得到了相 天大学出版社,2005. 应的数码管的段码，直接送到 P1 端口输出，然后在将对应的位码(选择 第 2 个数码管显示)送到 P2端口输出并调用延时子程序 。依次类推，最 ,6,辛友顺，胡永生，薛小铃.单片机应用系统设计与实现,M,.福建: 福建科学技术出版社，2005. 33kHz- 43kH的中心带宽内z ，此水声换能器在该范 发射频带范围处于 (上接第 530 页) 围内具有良好的接收灵敏度，符合水声通信过程载波频率的要求。 参考文献 ,1,温周斌等. 一种新的水声通信体制,J,. 声学学报，vol.17，N o. 4.8- 13P.Dee.1996 ,2,李启虎.水声学研究进展,J,.声学学报(中文版)，2001，(04) ,3,史业腾.不停输管的开孔封堵作业,J,.煤气与热力，2003，23(2): 86- 87 ,4,王珂，刘永志.浅海水下通讯编码技术研究与应用,J,.舰船科学 技术，2002，2:55- 58 ,5,Jostein Aleksandersen and EddT veit.The Smart Plug: A R emotely 图 4 接收灵敏度 4.总结 Controlled Pipeline Isolation System,C,.Proceedingosf the- Eleventh(2001) International O ffshore and Polar Engineering- Conference,Stavanger,N or- 本文水试实验中采用的水听器中心频率在 46kHz，其接收平稳范 way,June17:22,2001 围在 20kHz- 46kH之间z 。FSQ- 37发射换能器的中心频率 在 37.6kHz，