一種低功耗水下定位聲納信標的電路設計＊

(中國船舶重工集團公司第七一五研究所 杭州 310012)

1 引言

為了能對失事沉入水底的船只或飛機所處位置進行定位,船只或飛機上需要安裝一種能發出預置聲信號的裝置,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,安裝在船只或飛機上,當船只或飛機沉入水底后,該信標會自動周期性地發射聲信號,救援人員通過檢測裝置接收其發出的聲信號從而進行對其定位。

2 主要功能及工作原理

水下定位聲納信標主要功能是周期性地發射信號,供檢測裝置接收,檢測裝置接收到水下定位聲納信標發射的聲信號后完成定位。水下定位聲納信標入水前電源處于斷開狀態,入水后與海水形成回路接通,整個電路開始工作,此信標電路就會根據預先設計的方式通過換能器發射聲信號,信號為一定周期,且有一定脈寬和幅值的正弦波電壓。換能器發射的信號需達到預定的聲源級[1],使檢測裝置能夠在一定距離內檢測到目標。

3 水下定位聲納信標的設計

水下定位聲納信標主要由四個功能模塊組成,其原理框圖如圖1所示。

圖1 水下定位信標原理框圖

電源模塊由鋰電池、電源轉換芯片構成。鋰電池標稱電壓為3.6V,當電池電壓大于2V時,電源轉換芯片即可保證整個電路正常工作;信號發生電路輸出脈寬為10ms±10%,周期為1s±10%,幅值為5V的方波脈沖信號;振蕩電路的功能是在信號發生電路輸出5V高電平時輸出37.5kHz±0.5kHz的正弦電壓信號;換能器進行電聲轉換,發出一定聲源級的聲信號。而整個信標發射電路在入水后才能形成回路開始工作,發出聲信號,整個回路的低功耗主要通過周期性發射脈沖減少信號發生電路的損耗、提高振蕩電路和換能器的轉換效率實現的。

3.1 電源

電源部分主要是由一節鋰電池構成,電壓轉換芯片MAX619[2]把3.6V電壓轉換為5V,作為信號發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,其中電壓轉換芯片在鋰電池不小于2V時都能正常工作。

3.2 信號發生電路

信號發生電路如圖2所示的信號發生部分,在電源正常工作的條件下,其周期性的方波信號的功能主要由單穩態多頻振蕩集成芯片CD4047[3]及其外部電阻R5,R6、二極管D2和電容C5實現。其中D1為整流二極管,也能防止調試過程中電源反接,保護其它器件;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生過沖。

圖2 信號生成電路

鋰電池提供的電壓經電壓轉換芯片提供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。電路工作時其三極管Q1、Q2均處于飽和狀態,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。

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

圖3 信號發生電路產生的方波信號波形

3.3 振蕩電路

振蕩電路如圖4所示,當信號發出10ms寬度的脈沖時,Q3,Q4三極管處于導通狀態,變壓器工作產生37.5kHz的正弦波;穩壓管Z1和Z2為三極管提供靜態工作點,此時三極管起到放大作用,主要目的增加整個回路的驅動能力;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作用,設計的整個電路構成自激振蕩電路[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。

圖4 振蕩電路

信號發生電路產生的方波啟動振蕩電路開始工作,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脈寬為9.5ms,均與信號發生電路產生的方波信號周期和脈寬一致,(c)圖顯示在單個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,與預期設計要求基本一致,驗證了電路設計的正確性。

3.4 換能器

信標電路輸出的正弦電壓經過換能器轉換成聲信號,換能器的參數反映了負載的性質,同時也決定著換能器的電聲轉換效率。水聲設備中應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械諧振分別對應呈感性負載和容性負載。信標電路使用的是壓電陶瓷換能器,等效電路為容性負載[8]。換能器安裝在圓筒結構內,發射聲源級不小于 160.5dB(在37.5 kHz處),電聲轉換效率不小于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

水下定位聲納信標采用的是圓筒結構,裝配成功的樣機在國防一級水聲計量站進行了水池試驗,樣機和計量站測量發射聲源級的實驗設備如圖6所示,樣機放入水池深度為3m,水聽器到信標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,整個電路才開始導通工作。

聲信號接收設備接收到換能器的聲信號波形如圖7所示：(a)聲信號波形脈寬約為9.5ms,(b)聲信號波形的峰峰值為90V,頻率為37.7kHz。利用水聽器接收電壓波形幅值折算,信標換能器的聲源級約為160.5dB,信號發射時整機電路電流約為52mA,在非發射信號期間整機靜態電流約1mA,基本符合信標的低功耗和聲源級設計要求。

5 結語

本文主要設計了一種水下定位聲納信標電路,入水后自動根據預先設計的方式通過換能器發射聲信號,供檢測裝置接收其發出的聲信號后實現對失事沉入水底的船只或飛機定位。該信標電路通過水池實驗驗證具有以下結論：

1)水下定位聲納信標電路設計合理

整個電路開始工作后,發出預定的周期為1s±10%,脈寬為 10ms±10%,頻率為 37.5kHz±0.5kHz的正弦波電壓信號,換能器進行電聲轉換,發出聲信號,救生人員利用檢測裝置接收聲信號并進行定位。

2)整機設計低功耗

信號發射時整機電路電流不大于70mA,在非發射信號期間整機靜態電流不大于1.5mA,信標電路只用一節一次性電池供電,連續的工作時間可以不小于30天。

3)信標總體結構設計體積小,重量輕

信標采用外徑33mm,長度99.5mm的圓筒型結構,重量不大于300g,適合在船舶和飛機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.模擬電子技術基礎[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用技術[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[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2000

[8]何祚鏞,趙玉芳.聲學理論基礎[M].北京：國防工業出版社,1981