一種低功耗水下定位聲納信標(biāo)的電路設(shè)計(jì)＊

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 杭州 310012)

1 引言

為了能對(duì)失事沉入水底的船只或飛機(jī)所處位置進(jìn)行定位,船只或飛機(jī)上需要安裝一種能發(fā)出預(yù)置聲信號(hào)的裝置,用來幫助救援人員確定其具體方位。本方案研制的水下定位聲納信標(biāo),安裝在船只或飛機(jī)上,當(dāng)船只或飛機(jī)沉入水底后,該信標(biāo)會(huì)自動(dòng)周期性地發(fā)射聲信號(hào),救援人員通過檢測裝置接收其發(fā)出的聲信號(hào)從而進(jìn)行對(duì)其定位。

2 主要功能及工作原理

水下定位聲納信標(biāo)主要功能是周期性地發(fā)射信號(hào),供檢測裝置接收,檢測裝置接收到水下定位聲納信標(biāo)發(fā)射的聲信號(hào)后完成定位。水下定位聲納信標(biāo)入水前電源處于斷開狀態(tài),入水后與海水形成回路接通,整個(gè)電路開始工作,此信標(biāo)電路就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的方式通過換能器發(fā)射聲信號(hào),信號(hào)為一定周期,且有一定脈寬和幅值的正弦波電壓。換能器發(fā)射的信號(hào)需達(dá)到預(yù)定的聲源級(jí)[1],使檢測裝置能夠在一定距離內(nèi)檢測到目標(biāo)。

3 水下定位聲納信標(biāo)的設(shè)計(jì)

水下定位聲納信標(biāo)主要由四個(gè)功能模塊組成,其原理框圖如圖1所示。

圖1 水下定位信標(biāo)原理框圖

電源模塊由鋰電池、電源轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。鋰電池標(biāo)稱電壓為3.6V,當(dāng)電池電壓大于2V時(shí),電源轉(zhuǎn)換芯片即可保證整個(gè)電路正常工作;信號(hào)發(fā)生電路輸出脈寬為10ms±10%,周期為1s±10%,幅值為5V的方波脈沖信號(hào);振蕩電路的功能是在信號(hào)發(fā)生電路輸出5V高電平時(shí)輸出37.5kHz±0.5kHz的正弦電壓信號(hào);換能器進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換,發(fā)出一定聲源級(jí)的聲信號(hào)。而整個(gè)信標(biāo)發(fā)射電路在入水后才能形成回路開始工作,發(fā)出聲信號(hào),整個(gè)回路的低功耗主要通過周期性發(fā)射脈沖減少信號(hào)發(fā)生電路的損耗、提高振蕩電路和換能器的轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)的。

3.1 電源

電源部分主要是由一節(jié)鋰電池構(gòu)成,電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX619[2]把3.6V電壓轉(zhuǎn)換為5V,作為信號(hào)發(fā)生電路和振蕩電路的工作電壓,其具體工作原理如圖2所示的電源部分,其中電壓轉(zhuǎn)換芯片在鋰電池不小于2V時(shí)都能正常工作。

3.2 信號(hào)發(fā)生電路

信號(hào)發(fā)生電路如圖2所示的信號(hào)發(fā)生部分,在電源正常工作的條件下,其周期性的方波信號(hào)的功能主要由單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩集成芯片CD4047[3]及其外部電阻R5,R6、二極管D2和電容C5實(shí)現(xiàn)。其中D1為整流二極管,也能防止調(diào)試過程中電源反接,保護(hù)其它器件;D3二極管起到限幅作用,控制輸出方波脈沖的幅值,防止輸出方波瞬間產(chǎn)生過沖。

圖2 信號(hào)生成電路

鋰電池提供的電壓經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片提供5V電壓使CD4047正常工作;其寬度10ms,周期為1s的方波脈沖信號(hào)在芯片CD4047正常工作的模式下由R、C端接入的電阻和電容值決定。電路工作時(shí)其三極管Q1、Q2均處于飽和狀態(tài),集電極電壓小于0.4V,均為低電平。三極管Q1集電極端低電平用于開啟穩(wěn)壓芯片使其正常工作。三極管Q2集電極低電平用于選取芯片CD4047工作模式。

信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的方波信號(hào)如圖3所示：(a)圖中顯示方波信號(hào)的周期約為1s,(b)圖中顯示方波信號(hào)的脈寬為9.4ms,幅值約為5V。

圖3 信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的方波信號(hào)波形

3.3 振蕩電路

振蕩電路如圖4所示,當(dāng)信號(hào)發(fā)出10ms寬度的脈沖時(shí),Q3,Q4三極管處于導(dǎo)通狀態(tài),變壓器工作產(chǎn)生37.5kHz的正弦波;穩(wěn)壓管Z1和Z2為三極管提供靜態(tài)工作點(diǎn),此時(shí)三極管起到放大作用,主要目的增加整個(gè)回路的驅(qū)動(dòng)能力;變壓器二次邊有兩套繞組,其中3、4端的一套繞組起到電壓正反饋?zhàn)饔?設(shè)計(jì)的整個(gè)電路構(gòu)成自激振蕩電路[4～6],電容C6提供交流通道;5、6端輸出正弦電壓提供給換能器工作,輸出聲信號(hào)。

圖4 振蕩電路

信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的方波啟動(dòng)振蕩電路開始工作,變壓器5、6端分別與換能器輸入端連接,振蕩電路輸出電壓波形如圖5所示：(a)圖顯示輸出波形周期為960ms,(b)圖顯示輸出波形的單個(gè)脈寬為9.5ms,均與信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的方波信號(hào)周期和脈寬一致,(c)圖顯示在單個(gè)脈寬下輸出電壓的峰峰值為83.8V,頻率為37.0kHz,即為接入換能器兩端的電壓波形,與預(yù)期設(shè)計(jì)要求基本一致,驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的正確性。

3.4 換能器

信標(biāo)電路輸出的正弦電壓經(jīng)過換能器轉(zhuǎn)換成聲信號(hào),換能器的參數(shù)反映了負(fù)載的性質(zhì),同時(shí)也決定著換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率。水聲設(shè)備中應(yīng)用最多的換能器是磁致伸縮和壓電陶瓷換能器[7],磁致伸縮和壓電陶瓷換能器機(jī)械諧振分別對(duì)應(yīng)呈感性負(fù)載和容性負(fù)載。信標(biāo)電路使用的是壓電陶瓷換能器,等效電路為容性負(fù)載[8]。換能器安裝在圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi),發(fā)射聲源級(jí)不小于 160.5dB(在37.5 kHz處),電聲轉(zhuǎn)換效率不小于60%,在一定的水壓下不損壞,并且密封性保持良好。

4 水池試驗(yàn)

水下定位聲納信標(biāo)采用的是圓筒結(jié)構(gòu),裝配成功的樣機(jī)在國防一級(jí)水聲計(jì)量站進(jìn)行了水池試驗(yàn),樣機(jī)和計(jì)量站測量發(fā)射聲源級(jí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6所示,樣機(jī)放入水池深度為3m,水聽器到信標(biāo)換能器的水平距離為1m。圓筒上端蓋頂部中心是頂針,與整個(gè)圓筒外殼不接觸,只有頂針與圓筒外殼接通形成回路后,整個(gè)電路才開始導(dǎo)通工作。

聲信號(hào)接收設(shè)備接收到換能器的聲信號(hào)波形如圖7所示：(a)聲信號(hào)波形脈寬約為9.5ms,(b)聲信號(hào)波形的峰峰值為90V,頻率為37.7kHz。利用水聽器接收電壓波形幅值折算,信標(biāo)換能器的聲源級(jí)約為160.5dB,信號(hào)發(fā)射時(shí)整機(jī)電路電流約為52mA,在非發(fā)射信號(hào)期間整機(jī)靜態(tài)電流約1mA,基本符合信標(biāo)的低功耗和聲源級(jí)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文主要設(shè)計(jì)了一種水下定位聲納信標(biāo)電路,入水后自動(dòng)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的方式通過換能器發(fā)射聲信號(hào),供檢測裝置接收其發(fā)出的聲信號(hào)后實(shí)現(xiàn)對(duì)失事沉入水底的船只或飛機(jī)定位。該信標(biāo)電路通過水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有以下結(jié)論：

1)水下定位聲納信標(biāo)電路設(shè)計(jì)合理

整個(gè)電路開始工作后,發(fā)出預(yù)定的周期為1s±10%,脈寬為 10ms±10%,頻率為 37.5kHz±0.5kHz的正弦波電壓信號(hào),換能器進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換,發(fā)出聲信號(hào),救生人員利用檢測裝置接收聲信號(hào)并進(jìn)行定位。

2)整機(jī)設(shè)計(jì)低功耗

信號(hào)發(fā)射時(shí)整機(jī)電路電流不大于70mA,在非發(fā)射信號(hào)期間整機(jī)靜態(tài)電流不大于1.5mA,信標(biāo)電路只用一節(jié)一次性電池供電,連續(xù)的工作時(shí)間可以不小于30天。

3)信標(biāo)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體積小,重量輕

信標(biāo)采用外徑33mm,長度99.5mm的圓筒型結(jié)構(gòu),重量不大于300g,適合在船舶和飛機(jī)的黑匣子上安裝使用。

[1]尤立克R J.水聲原理[M].洪中,譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1990

[2]MAXIM.M AX619 Date sheet,1996

[3]Fairchild Semiconductor Corporation.CD4047 Date sheet,1999

[4]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第三版.北京：高等教育出版社,2001

[5]何希才,等.新型通用集成電路實(shí)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2001

[6]梁明理,鄧仁清.電子線路[M].第四版.北京：高等教育出版社,2001

[7]田坦,劉國軍,孫大軍.聲吶技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000

[8]何祚鏞,趙玉芳.聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社,1981