CN114236614A - 一种多单元集成海底沉积层声学探杆 - Google Patents

一种多单元集成海底沉积层声学探杆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多单元集成海底沉积层声学探杆，声学探杆壳体部分为轴对称结构，包括发射换能器、接收换能器、数据采集与传输分***和上位机，发射换能器、接收换能器组成本声学探杆的发射及接收换能器分***，接收换能器包括若干个，且分别设于声学探杆内壁的不同深度位置处，另外的发射换能器设于被测海平面介质上，数据采集与传输分***包括信号调理模块、采集模块、数据采集传输模块、主控模块。本发明多单元集成海底沉积层声学探杆，开展了小体积条件下低功耗高集成度前放、采集电路设计、低频高灵敏度水听器设计以及高机械强度高透声性能壳体设计，具有小体积及高机械强度性能、低频高灵敏度声学性能、低功耗高集成度采集传输性能。

Description

一种多单元集成海底沉积层声学探杆
技术领域
本发明涉及水声设备设计与制造领域，尤其是指一种多单元集成海底沉积层声学探杆。
背景技术
为实现海床以下100m海底沉积层声学信号采集,需设计包括若干全向水听器、信号调理/放大、 A/D采集、发射声源等组成的多单元高集成度的声学探杆。通过低频发射换能器发射低频大功率脉冲 信号，由声学探杆的不同位置处的接收换能器及探杆的纵向运动实现对海底底层不同深度的声学测 量，通过波形解算出到达时间，结合传播距离，即可计算出在不同深度海底底层介质中的声传播速度， 为海底地质分层结构的分析提供可靠数据。
现有测量设备普遍存在体积较大、集成度低、精度较差等不足，基于这一背景，研究如何在小体 积条件下实现低功耗高集成度前放、采集电路设计、低频高灵敏度水听器设计以及高机械强度高透声 性能壳体设计，形成多单元一体集成的海底沉积层声学探杆专用设备，提高海底地质分层结构探测与 分析整体解决能力，具有十分重要的现实意义。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中测量设备普遍存在体积较大、集成度低、 精度较差的问题，从而提供一种多单元一体集成的海底沉积层声学探杆专用设备。
为解决上述技术问题，本发明的一种多单元集成海底沉积层声学探杆，所述的声学探杆壳体部分 为轴对称结构，包括发射换能器、接收换能器、数据采集与传输分***和上位机，所述的发射换能器、 接收换能器组成本声学探杆的发射及接收换能器分***，所述的接收换能器包括若干个，且分别设于 声学探杆内壁的不同深度位置处，另外的发射换能器设于被测海平面介质上，其中的数据采集与传输 分***设于壳体内的电子仓中，数据采集与传输分***包括信号调理模块、采集模块、数据采集传输 模块、主控模块，所述的主控模块输出端通过数据采集传输模块与上位机相连，而主控模块的输入端 依次通过采集模块、信号调理模块与接收换能器相连，所述的上位机一端通过数据采集与传输分*** 与接收换能器信息相连，且上位机另一端通过传输线缆与发射换能器相连。
在本发明的一个实施例中，所述的接收换能器之间通过承力装置装配相连，同时所述的承力装置 开设有透声槽、供电穿线孔，其中的接收换能器设于承力装置中内径，且接收换能器之间通过供电穿 线孔还连接有供电以及信号传输接线。
在本发明的一个实施例中，所述的发射换能器选用的是Ⅳ型弯张结构，由纵向振动的振子驱动椭 圆管外壳长轴做长度伸缩形变。
在本发明的一个实施例中，所述的接收换能器为中空圆管形结构，垂直方向上采用两个极化方向 相反的陶瓷圆管串联而成。
在本发明的一个实施例中，所述的发射换能器中包含信号源板、电源板、功放板以及匹配板，所 述的功放电路采用D类桥式功放，由驱动模块和全桥电路组成，实现小信号大功率信号的电平转换；
所述的全桥电路中的功率器件选用大功率MOSFET管：APT50M38JLL(500V/88A)；
功率管驱动芯片为UCC27321，前级经光耦隔离，实现隔离驱动；
所述的信号源板实现对发射***的控制，产生发射所需激励信号，同时接收水下控制***指令， 控制匹配板，实现发射通道切换、功率衰减等功能；
所述的匹配板实现换能器阻抗变换功能，由变压器和匹配元件组成串联匹配网络，将功率信号输 出到发射换能器；
电源板为发射换能器提供电源，输入为48V直流，该电源来自数据传输模块；
所述的发射换能器中还包含前置信号调理电路采用精密集成运放完成阻抗变换，信号放大，以及 低通滤波。
在本发明的一个实施例中，所述的数据采集与传输分***还设有独立的电源模块，所述的采用两 种互斥形式电源供电。
在本发明的一个实施例中，所述的数据采集与传输分***中主控模块采用国产ESP32系列芯片为 核心的ESP模组，且搭载ESP32-W0DQ6双核芯片。
在本发明的一个实施例中，所述的上位机以通用计算机为硬件平台,基于Windows***开发环境, 使用QT5开发,实现通过CAN总线接收各水听器采集的时域信号并显示波形。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的多单元集成海底沉积层声学探 杆，开展了小体积条件下低功耗高集成度前放、采集电路设计、低频高灵敏度水听器设计以及高机械 强度高透声性能壳体设计，具有小体积及高机械强度性能、低频高灵敏度声学性能、低功耗高集成度 采集传输性能、还有较高的耐静水压性能。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明 作进一步详细的说明。
图1是一种多单元集成海底沉积层声学探杆的设备运行流程框图；
图2是声学探杆工作原理示意图；
图3是发射换能器中发射***电路部分框图；
图4是发射换能器中功放板框图；
图5是驱动模块原理框图；
图6是全桥电路原理；
图7是信号源板框图；
图8是信号生成时序图；
图9是匹配板框图；
图10是串联匹配原理图；
图11是数据采集与传输分***的运行框图。
如图所示：1、接收换能器，2、发射换能器，3、海平面介质。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供一种多单元集成海底沉积层声学探杆，所述的声学探杆壳体部分为轴 对称结构，其特征在于：包括发射换能器2、接收换能器1、数据采集与传输分***和上位机，所述 的发射换能器2、接收换能器1组成本声学探杆的发射及接收换能器1分***，所述的接收换能器1 包括若干个，且分别设于声学探杆内壁的不同深度位置处，另外的发射换能器2设于被测海平面介质 3上，其中的数据采集与传输分***设于壳体内的电子仓中，数据采集与传输分***包括信号调理模 块、采集模块、数据采集传输模块、主控模块，所述的主控模块输出端通过数据采集传输模块与上位 机相连，而主控模块的输入端依次通过采集模块、信号调理模块与接收换能器1相连，所述的上位机 一端通过数据采集与传输分***与接收换能器1信息相连，且上位机另一端通过传输线缆与发射换能 器2相连。
本发明的声学探杆可完成信号的发射与接收、信号调理与放大、数据采集与传输、上位机显示与 控制功能，实现对海底沉积层声学探杆上接收换能器1采集到的声学信号的读取与分析。
进一步地，水密的电子仓内腔设计为内径35mm、长度250mm；数据采集与传输分***集成于宽 35mm，长200mm，厚2mm的整版尺寸电路设计板内，两端固定于内腔中。
如图2所示，通过低频发射换能器2发射低频大功率脉冲信号，由声学探杆的不同位置处的接收 换能器1及探杆的纵向运动实现对海底底层不同深度的声学测量，通过波形解算出到达时间，结合传 播距离，即可计算出在不同深度海底底层介质中的声传播速度，为海底地质分层结构的分析提供可靠 数据。
所述的接收换能器1之间通过承力装置装配相连，同时所述的承力装置开设有透声槽、供电穿线 孔，其中的接收换能器1设于承力装置中内径，且接收换能器1之间通过供电穿线孔还连接有供电以 及信号传输接线。
进一步地，每个透声槽沿圆柱体的承力装置径向开八道宽5mm、深10.5mm，接收换能器1安装于 承力装置中内径的25mm内腔，且供电穿线孔的内径为8mm。
进一步地，低频发射换能器2的常见形式有大尺寸纵向振子、自由溢流环以及弯张换能器。弯张 换能器常利用振动体的弯曲振动实现低频发射，相比其它低频换能器，同样的工作频率下，弯张换能 器的尺寸要小得多，电声转换效率最高。
所述的发射换能器2选用的是Ⅳ型弯张结构，由纵向振动的振子驱动椭圆管外壳长轴做长度伸缩 形变，形变在短轴方向被放大，从而实现大功率发射，另外的发射换能器2的工作频率为1kHz；发 射声源级不小于190dB；最大工作水深为200m。
进一步地，对换能器建立进行有限元仿真，仿真时对换能器结构进行了适当简化，省略了不参与 振动的水密盖板。最终换能器外形结构如图7所示。换能器外形尺寸约为270mm×130mm×180mm(宽 ×高×深)，空气中重量约为35kg。按有限元仿真结果，该换能器谐振频率约为1kHz，发射电压响应 约为135dB；换能器施加的电压可达1000V以上，此时换能器的声源级可以达到195dB，满足指标要 求。
换能器壳体材料拟选用屈服极限高、密度小的钛合金，既有利于大形变和深水工作，又有利于减 小重量；驱动源拟采用P-81型压电陶瓷，该材料强场介电损耗低，适用于长时间大功率发射；为满 足水密要求，换能器椭圆管上下开口采用一定厚度的金属盖板和密封圈进行初次密封，外部再采用聚 氨酯包覆进行二次密封；深水工作状态下，为防止不参与振动的水密盖板对椭圆管的振动产生钳制， 椭圆管内部使用撑杆保持弯张壳体深水下的自由振动。
按使用要求，接收水听器必须安装在内径25mm的金属圆管内部，且换能器轴心必须留有直径9mm 的空心穿线孔；按技术要求，换能器水平指向性为全向。为保证水听器性能不受外部金属圆管的影响， 拟在金属圆管上开多条纵向透声槽；同时，透声槽的又不能太多，太多会影响杆的纵向强度。
所述的接收换能器1为中空圆管形结构，垂直方向上采用两个极化方向相反的陶瓷圆管串联而 成。
进一步地，在对声性能和结构强度进行综合权衡后，最终形成这种设计方式既能有效提高水听器 接收灵敏度，又可以降低水听器的加速度响应，从而减小结构振动对水听器的影响。圆管水听器安装 在周向开槽的金属圆管内，该种结构的金属圆管可承受15吨的轴向压力。试验表明，在8kHz以下频 段，图示开槽尺寸和数量对水听器灵敏度的影响约2dB，对水平指向性几乎无影响。
按两端加盖的压电陶瓷圆管灵敏度计算公式(式中，M为水听器灵敏度，R为陶瓷圆管外半径， g33与g31为陶瓷材料的压电常数；γ为陶瓷圆管内径与外径之比)，求得水听器灵敏度为-193dB； 考虑金属圆管结构对灵敏度的影响，最终水听器灵敏度约为-195dB，满足设计指标要求。压电陶瓷圆 管厚度进行合理选择后，可满足300m工作水深要求。
Figure BDA0003380469100000051
在加工制作过程中，拟先行制作灌注好的圆管形水听器，然后安装在金属圆管内进行二次灌注。 圆管灌注后的最终外径与金属圆管一致。
，如图3所示所述的发射换能器2中包含信号源板、电源板、功放板以及匹配板，所述的功放电 路采用D类桥式功放，由驱动模块和全桥电路组成，实现小信号大功率信号的电平转换，框图如图4 所示，信号源板产生发射所需频率信号，由隔离驱动模块驱动全桥电路，经匹配网络切换至各路发射 换能器2。
所述的全桥电路中的功率器件选用大功率MOSFET管：APT50M38JLL(500V/88A)，功率余量大， 对负载失谐适应性强；功率管驱动芯片为UCC27321，前级经光耦隔离，实现隔离驱动。驱动模块原 理图如图5所示，全桥电路原理图见图6。
所述的信号源板实现对发射***的控制，产生发射所需激励信号，同时接收水下控制***指令， 控制匹配板，实现发射通道切换、功率衰减等功能。具体框图由图7所示。
进一步地，信号源板核心器件为单片机PIC16F1823，经RS-485串口与上位机控制***通信。
功放采用桥式开关功放，其激励信号由‘正/负半周信号’以及‘信号地’组成(F+、F-、GND)。 同时再配置门控信号，实现脉宽发射及抗干扰误触发保护。信号生成时序图见图8。发射频率信号为 A，经延迟得到B，经A、B两路信号运算，分别产生所需正/负半周信号F+、F-，EN为门控信号； 信号生成时序图其中的 A——占空比为50％的发射频率方波；
B——延时△t后频率信号；
F+——A AND(与)B，发射信号源正半周信号F+；
F-——A NOR(或非)B，发射信号源负半周信号F-；
EN——门控信号为高电平有效，实现发射脉宽的截取。
所述的匹配板实现换能器阻抗变换功能，由变压器和匹配元件组成串联匹配网络，将功率信号输 出到发射换能器2。具体框图由图9所示。
功放板输出的功率信号，经匹配网络以及换能器构成的谐振回路，产生所需正弦信号。串联谐振 回路由电感、电容和换能器共同组成(见图10)。结合换能器的等效参数，计算出串联谐振所需的电 感和电容。
参数计算方法:在谐振频点上，换能器可等效成电阻和电容的并联形式(如图10)，等效阻抗为R0， 并联总电容为C＝C0+Cx，谐振中心频率为f0，谐振回路的品质因数为Q＝2πf0CR0，Q值决定 了串联匹配的带宽，应酌情选取；由公式(1)，可得谐振并联电容Cx：
Cx＝Q/(2πf0R0)-C0……………………(1)
由公式(2)，可得谐振后的等效电阻Rg：
Rg＝R0/(Q2+1)……………………(2)
由公式(3)，可得匹配电感Lx：
Lx＝QRg/2πf0………………………(3)
电源板为发射换能器2提供电源，输入为48V直流，该电源来自数据传输模块。电平转换由DC/DC 电源模块实现，产生发射所需的高压和低压电源。
进一步地，电源板中还设有升压模块选用VICOR的VIJ100NBCW，单块将48V电源升至95V，两块 串接得到发射高压190V，经储能电容充放电，为功放板提供能量。低压电源为：+12V和+5V，选用了 两只RECOM的DC/DC电源模块：REC5-4812SRWZ/H1/A和REC5-4805SRWZ/H1/A。
所述的发射换能器2中还包含前置信号调理电路采用精密集成运放完成阻抗变换，信号放大，以 及低通滤波。
精密集成运放采用TI(德州仪器)的OPA862，这是一颗高输入阻抗，低噪声，单端到差分的放 大器。
输入阻抗高达325MΩ，可以直接与高阻传感器相连，输出失调电压低至700nV，输出噪声低于 8.3nV/Hz，轨到轨输入输出。
信号通过无源RC低通滤波器进入放大器正相输入端，通过反馈电阻将增益设置为2V/V，输出信 号进入ADS131A04差分输入端，配合内置的可编程增益放大器，数字滤波器对信号做二次放大。
所述的数据采集与传输分***还设有独立的电源模块，所述的采用两种互斥形式电源供电，一 是符合IEEE 802.3 AF标准PoE供电，最大提供功率15W。二是通过DC电缆供电。优先使用PoE供 电，未检测到PoE供电时，采用DC电缆供电。采用π型滤波电路抑制电源纹波。
如图11所示，所述的数据采集与传输分***中主控模块采用国产ESP32系列芯片为核心的ESP 模组，且搭载ESP32-W0DQ6双核芯片，此模组通过国家相关标准认证。集成以太网MAC层，多通道 12Bit ADC，CAN总线协议，WIFI，大容量FLASH，霍尔传感器，工作温度在-40到85摄氏度，支持 CAN总线(ISO11898-1)，其中的CAN总线具备过压保护，静电防护，浪涌电流冲击防护，防雷击。总 线节点不超过110个，百米距离提供最高400Kbit/s通信速率。
其中的采集模块为ADC芯片采用TI(德州仪器)ADS131A04，低噪声,同步采样模数转换器,具有 4通道真差分输入,宽动态范围ADC,集成信号缓冲器,可编程增益放大器,数字滤波器,最大采 样率为128Ksps。输入信号经过单端信号转差分信号专用精密集成运放,完成阻抗匹配,信号放大。 采集模块主要功能是对输入信号放大滤波，并将其输入到精密ADC进行采样输出。
所述的上位机以通用计算机为硬件平台,基于Windows***开发环境,使用QT5开发,实现通过 CAN总线接收各水听器采集的时域信号并显示波形，同时兼具对水下电路参数设置及控制功能。
进一步地，上位机集成有显控分***，所述的显控分***包括人机接口模块、图像显示模块，所 述的人机接口模块负责提供用户人机交互接口，下行命令配置水下设备运行的参数,及缺省参数管 理，通过CAN总线接收声学探测数据并送显；所述的图像显示模块实时显示并记录海底底层不同深度 的声学测量结果，由两路及以上接收换能器1通道的时域波形图构成，显示接收到信号的时间-幅度 波形，可读出到达时间的数值，并提供配置参数的人机交互界面。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普 通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有 的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种多单元集成海底沉积层声学探杆，所述的声学探杆壳体部分为轴对称结构，其特征在于：包括发射换能器、接收换能器、数据采集与传输分***和上位机，所述的发射换能器、接收换能器组成本声学探杆的发射及接收换能器分***，所述的接收换能器包括若干个，且分别设于声学探杆内壁的不同深度位置处，另外的发射换能器设于被测海平面介质上，其中的数据采集与传输分***设于壳体内的电子仓中，数据采集与传输分***包括信号调理模块、采集模块、数据采集传输模块、主控模块，所述的主控模块输出端通过数据采集传输模块与上位机相连，而主控模块的输入端依次通过采集模块、信号调理模块与接收换能器相连，所述的上位机一端通过数据采集与传输分***与接收换能器信息相连，且上位机另一端通过传输线缆与发射换能器相连。
2.根据权利要求1所述的一种多单元集成海底沉积层声学探杆，其特征在于：所述的接收换能器之间通过承力装置装配相连，同时所述的承力装置开设有透声槽、供电穿线孔，其中的接收换能器设于承力装置中内径，且接收换能器之间通过供电穿线孔还连接有供电以及信号传输接线。
3.根据权利要求1所述的一种多单元集成海底沉积层声学探杆，其特征在于：所述的发射换能器选用的是Ⅳ型弯张结构，由纵向振动的振子驱动椭圆管外壳长轴做长度伸缩形变。
4.根据权利要求1所述的一种多单元集成海底沉积层声学探杆，其特征在于：所述的接收换能器为中空圆管形结构，垂直方向上采用两个极化方向相反的陶瓷圆管串联而成。
5.根据权利要求1所述的一种多单元集成海底沉积层声学探杆，其特征在于：所述的发射换能器中包含信号源板、电源板、功放板以及匹配板，所述的功放电路采用D类桥式功放，由驱动模块和全桥电路组成，实现小信号大功率信号的电平转换；
所述的全桥电路中的功率器件选用大功率MOSFET管：APT50M38JLL(500V/88A)；
功率管驱动芯片为UCC27321，前级经光耦隔离，实现隔离驱动；
所述的信号源板实现对发射***的控制，产生发射所需激励信号，同时接收水下控制***指令，控制匹配板，实现发射通道切换、功率衰减等功能；
所述的匹配板实现换能器阻抗变换功能，由变压器和匹配元件组成串联匹配网络，将功率信号输出到发射换能器；
电源板为发射换能器提供电源，输入为48V直流，该电源来自数据传输模块；
所述的发射换能器中还包含前置信号调理电路采用精密集成运放完成阻抗变换，信号放大，以及低通滤波。
6.根据权利要求1所述的一种多单元集成海底沉积层声学探杆，其特征在于：所述的数据采集与传输分***还设有独立的电源模块，所述的采用两种互斥形式电源供电。
7.根据权利要求1所述的一种多单元集成海底沉积层声学探杆，其特征在于：所述的数据采集与传输分***中主控模块采用国产ESP32系列芯片为核心的ESP模组，且搭载ESP32-W0DQ6双核芯片。
8.根据权利要求1所述的一种多单元集成海底沉积层声学探杆，其特征在于：所述的上位机以通用计算机为硬件平台,基于Windows***开发环境,使用QT5开发,实现通过CAN总线接收各水听器采集的时域信号并显示波形。
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