一種基于超聲波的潛艇數據傳輸系統＊

蘇 鎮

（海軍七〇四工廠 青島 266109）

1 引言

目前潛艇外部傳感器獲取的數據必須通過穿艙布設電纜等措施來傳輸，需要在潛艇耐壓殼上開孔。眾所周知，潛艇在水下航行時需要承受很大的壓力，可以達到幾十個大氣壓，在耐壓艇體上開孔會破壞艇體的結構強度，開孔位置必須采取強化措施以適應開孔后受力的變化，增加了鋼材的消耗和艇體的排水量，使結構設計復雜化。同時，開孔的尺寸不夠靈活，還要處理好開孔位置的密封問題，存在一定的安全隱患。如果有一種技術能夠通過無線傳輸的方式不需要在艇體上開孔就可以將數據傳輸到艇內，那就可以避免上述穿艙傳輸的缺陷。而超聲波恰好滿足上述要求，它能夠在金屬中傳播，具有良好的方向性，而且具有很高的能量，理論上具有作為載體傳輸數據的可能。

2 超聲波基本特性

2.1 次聲波、聲波和超聲波

人們在日常生活中聽到的各種聲音，是由于各種聲源的震動通過空氣等彈性介質傳播到耳膜引起的耳膜振動，產生聽覺，但并不是任何頻率的機械振動都能引起聽覺，只有頻率在一定范圍內的振動才能引起聽覺。在彈性介質中，如果波源所激發的縱波頻率在20～20000Hz之間，能引起人耳的聽覺，在這個頻率范圍內的振動叫做聲振動，此時產生的波就叫聲波。人們把能引起聽覺的機械波稱為聲波，頻率在20～20000Hz之間。當頻率低于20Hz或高于20000Hz時，人的耳朵無法感覺到，為了與可聽見的聲波加以區別，稱頻率低于20Hz的機械波為次聲波，頻率高于20000Hz的機械波稱為超聲波。次聲波、聲波和超聲波，都是振動在介質中的傳播過程，實質仍是彈性介質的機械振動。

2.2 超聲波的特性

超聲波能穿透大多數材料，可以在金屬內部進行傳輸，具有以下幾方面的特性。

1）超聲波具有良好的方向性

超聲波是頻率很高、波長很短的機械波。其波長比光波的波長稍長，其性能與光波更為接近，具有良好的指向性，頻率越高指向性越好，能以很狹窄的波來向介質中輻射［1］。

2）超聲波具有高能量

超聲波的頻率遠高于聲波，因為聲強與頻率的平方成正比，因此，超聲波的能量遠大于聲波的能量。如1MHz的超聲波所傳播的能量相當于振幅相同頻率為1KHz的聲波傳播能量的100萬倍［1］。超聲波的傳播能量大，傳播距離遠，穿透能力強，特別適合在大厚度的金屬中傳播。

2.3 超聲波在傳播過程中的衰減

超聲波在實際介質中傳播時，其能量將隨距離的增大而逐漸減小，這種現象稱為衰減。

2.3.1 衰減的起因

從理論上來說，衰減的起因主要有以下三個方面。

1）由聲束擴展引起的衰減

在聲波的傳播過程中，由于波束的擴散，使單位面積上的聲能隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴散衰減［6］。擴散衰減僅取決于波的幾何形狀而與傳播介質的性質無關。

2）由散射引起的衰減

在聲波的傳播過程中，由于實際材料聲阻抗不均，產生散亂反射而引起的衰減稱為散射衰減［3］。材料中的雜質、粗晶、內應力、第二相、多晶體晶界面等非均勻性都會引起聲波的反射、折射，甚至波形轉換，造成散射衰減。散射衰減隨著頻率的增高而增大，且橫波衰減大于縱波衰減。

3）由于介質的吸收引起的衰減

在聲波的傳播過程中，由于介質質點之間的內摩擦（粘滯性）和熱傳導，導致聲能損耗而引起的衰減，稱為吸收衰減。

2.3.2 衰減規律和衰減系數

衰減系數是定量表示聲波在介質中衰減情況和規律的方法，衰減規律與波形有關。平面波傳播時不存在擴散衰減，只有散射衰減和吸收衰減。

對于平面波來說，其聲壓衰減方程式為

式中p0為入射到材料界面上時的聲壓；p為超聲波在材料中傳播一段距離x后的聲壓；x為到材料界面的距離；a為衰減系數［1］。

3 超聲波非穿透性潛艇數據傳輸系統設計

通過上述超聲波基礎知識介紹，我們可以了解到超聲波具有非常優良的穿透性，特別適合在大厚度金屬中傳播，具有方向性好、能量大的特點，在常規電磁波及電磁射線無法工作的場合可以可靠的傳輸數據。在潛艇工程應用中，艙內外數據傳輸一直是一個難題。由于潛艇是一個封閉金屬體，無法使用無線電傳輸的方式傳輸數據，只能使用有線傳輸，這就需要在耐壓殼上進行開孔，造成施工難度大、存在安全隱患。在這種特定的應用情況下，超聲波數據傳輸無疑具有顯著的優點：1）可以無線傳輸，避免了艇體開孔，可以直接透過艇體傳送數據；2）超聲波能量大，可以同步傳送能量，再通過換能器將聲能轉換成電能，為艙外設備供電。

圖1 數據傳輸結構圖

3.1 系統硬件組成

基于超聲波的非穿透性潛艇數據傳輸系統主要應用于潛艇艙內外數據傳輸。艙內部分主要包括：超聲波收發模塊、聲電轉換模塊、信號處理模塊和設備終端。超聲波收發模塊主要進行超聲波的發射與接收，在艇內外均需配置，實現超聲波信號的雙向傳輸。聲電轉換模塊主要實現換能器的作用，將信號處理器送來的電信號進行轉換，使其變成聲信號，再傳給超聲波收發模塊進行發送，也可以將超聲波收發模塊接收的聲信號轉換成電信號再交由信號處理器處理。信號處理器負責將電信號進行處理，以便滿足信號傳輸的需求，在艙內部分分別連接聲電轉換模塊和終端設備，在艙外部分連接聲電轉換模塊和傳感器，在功能上也更加復雜一些，除了進行信號處理之外，還要從中提取出能量信號，以便為傳感器供電。終端設備用于進行顯示、操作、控制等功能，屬于人機交互設備，并且是整個系統的控制核心。傳感器負責將外部信息進行采集及初步處理。

3.2 系統技術難點及解決方法

該系統在設計實現中主要存在兩個技術難題。

1）超聲波收發模塊

超聲波收發模塊的設計實現是一個技術難點。一要保證體積小巧，便于安裝固定；二是傳輸效率要高，波束的指向性要精確，以提高數據傳輸效率；三是傳輸能量要密集，除了保證數據信號能夠傳送，還要同步實現能量信號的傳輸。目前，超聲波的工程應用比較豐富，在醫療、工業等領域已經投入實際應用幾十年了，積累了豐富的應用經驗和形成了豐富的產品線，在該項目中，可以參考超聲波在上述專業的應用經驗和產品設計，特別是超聲波探傷技術，對波束的能量、指向性要求高，所采用的產品體積小巧，完全可以在項目中進行借鑒，從而降低技術開發難度［2］。

2）信號處理模塊

艙外部分的信號處理模塊也是技術實現的一個難點。其難度在于在信號中區分出數據信號和能量信號，并分別進行提取。超聲波在工程應用中，進行探測的應用較多，而用于能量傳輸的應用還屬于一個新興領域，需要解決能量分離提取，能量轉換效率等難題。使用波束同步傳輸信號與能量在電磁波中已經得到廣泛應用，使用載波技術即可實現信號與能量的同步傳輸，在信號能量分離上也比較容易實現，因此信號處理模塊從原理上講不存在較高的技術難度或風險，主要是在工業應用中提高能量轉換效率。

4 結語

本文根據超聲波傳輸的物理特性，提出了一種基于超聲波的非穿透性潛艇數據傳輸系統的理論模型，分析了可能存在的技術難點，為工程應用提供了理論指導。

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