Технические науки / 6. Электротехника и радиоэлектроника

 

К.т.н. Сухарьков О.В.

Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Украина

Разработка передающего тракта цифровой связи между подводными объектами

 

 

Важной проблемой информационной гидроакустики является проблема увеличения дальности действия передающей аппаратуры за счет использования более низких частот. Поиск методов эф­фективного излучения низкочастотных сигналов приводит к нетрадиционным принципам построения гидроакустических излучающих антенн. Настоящий доклад посвящен разработке тракта для передачи дискретной информации в гидроакустический канал связи с помощью рупорной антенны на основе малогабаритного прямоточного жидкоструйного преобразователя с кольцевым соплом и ступенчатым препятствием [1].

Зона звукообразования прямоточного преобразователя представляет собой  своеобразную резонансную систему, состоящую из внутренней кавитирующей среды (первичный вихрь), затопленной цилиндрической струйной оболочки и присоединенной массы жидкости. Эта резонансная система обеспечивает обратную акустическую связь, навязывая струйной оболочке стабильную частоту автоколебаний [2]. Амплитудно-частотные характеристики жидкоструйного преобразователя зависят от его геометрических параметров, скорости струи на выходе из кольцевого сопла и величины гидростатического давления на заданной глубине [1]. При оптимальной скорости струи, когда частота пульсаций первичного вих­ря совпадает с собственной частотой изгибных колебаний оболочки, генерируется акустический сигнал максимального уровня. В этом случае амплитуда низшей гармоники превышает амплитуды высших гармоник на 15…40 дБ, а генерируемый звуковой сигнал состоит из последовательности отдельных коротких импульсов экспоненциальной формы [3]. Рабочий диапазон тонального импульсного сигнала для жидкоструйных преобразователей различного типоразмера находится в интервале от 350 Гц до 9 кГц. Добротность преобразователей () обеспечивает широкую равномерную частотную характеристику излучения, что позволяет воспроизводить практически без искажений акустический сигнал на электрической стороне (в приемниках).

В процессе проектирования передающего тракта проведен теоретический анализ по формированию и распространению бегущих одномерных плоских волн в предрупорной камере и рупоре антенны [4]. Установлено, что для источника звука с длиной волны  необходимо выбирать цилиндрический волновод, у которого радиус . Длина предрупорной камеры, с учетом собственных резонансных частот, может принимать следующие значения:  Жидкоструйный преобразователь следует устанавливать на расстоянии от фланца предрупорной камеры равном четверти длины волны, соответствующей частоте основного тона  генерируемого сигнала. В этом случае наблюдается совпадение частоты возбуждающего источника с собственной частотой продольных колебаний среды, заполняющей пространство от источника до фланца волновода. Интенсивность звука при этом достигает максимальных величин вследствие резонанса. С целью формирования характеристики направленности акустического сигнала в горизонтальной плоскости, в рупорной антенне следует использовать катеноидальный рупор, достоинствами которого являются: согласование импеданса рупора с предрупорной камерой и эффективное излучение сигнала в низкочастотной области звукового диапазона [5].

Разработанный передающий тракт цифровой связи состоит из персонального компьютера 1, исполнительного механизма 2 для регулирования расхода рабочей жидкости, емкости 3 с забортной морской водой, фильтра 4; насоса 5; датчика расхода 6 рабочей жидкости; трубопровода 7 (рис. 1). По трубопроводу 7 рабочая жидкость поступает в прямоточный жидкоструйный преобразователь 8, который установлен внутри предрупорной  камеры 9 рупорной антенны 10.

Рисунок 1 – Схема передающего тракта цифровой связи между подводными объектами

 

Передачу дискретной информации в условиях частотно-импульсной модуляции в подводный звуковой канал осуществляют следующим образом [6]. При подключении электропитания центральный процессор персонального компьютера 1 выполняет специально разработанную программу, управляющую исполнительным механизмом 2. Исполнительный механизм 2 включает насос 5 и устанавливает величину расхода жидкости, соответствующую оптимальному режиму работы преобразователя 8. Затем выполняется считывание передаваемого кодированного информационного сигнала (рис. 2, а) с носителя информации компьютера 1. Манипуляция несущей частоты акустического сигнала производится за счет незначительного уменьшения оптимальной скорости струи. В этом случае значение частоты основного тона сигнала изменяется обратно пропорционально скорости истечения струи из сопла  преобразователя. Таким образом, несущая частота звукового импульсного сигнала жидкоструйного преобразователя 8, согласно программе, модулируется передаваемым дискретным информационным сигналом.

Рисунок 2 – Временные диаграммы, иллюстрирующие превращение сигналов в условиях частотно-импульсной модуляции: а – модулирующий электрический сигнал, б – модулированный акустический сигнал

 

В результате генерируемый акустический сигнал превращается в комбинацию импульсных последовательностей с разными звуковыми частотами, одна из которых соответствует уровню логического "нуля", а вторая соответствует уровню логической "единицы" в фиксированные интервалы времени (рис. 2, б). При этом рупорная антенна 10 выполняет направленное в горизонтальной плоскости излучение модулированного звукового сигнала в гидроакустический канал связи. На приемной стороне акустические сигналы, с помощью гидрофонов, принимают из канала связи, преобразуют их в электрические сигналы и измеряют периоды импульсных последовательностей этих сигналов в четко определенные интервалы времени. Далее осуществляют идентификацию единиц и нулей кодовой комбинации, передаваемой в канале связи, и записывают принятую информацию на носитель приемной аппаратуры. Конечный этап обработки включает в себя декодирование и пред­ставление информационного сообщения в удобном для слухового или зрительного восприятия виде.

Испытание передающего тракта цифровой связи проводилось в гидроакустическом бассейне. Жидкоструйный преобразователь генерировал  импульсный звуковой сигнал с частотой основного тона . Установлено, что девиация частоты  позволяет передавать дискретную информацию со скоростью 15 – 20 слов/мин.

В заключение отметим, что достоинством разработанного передающего тракта является то, что частотно-импульсная модуляция акустического сигнала обладает повышенной помехоустойчивостью по сравнению с модуляцией непрерывной синусоидальной несущей частоты. К достоинствам передающего тракта следует также отнести: достаточно высокий уровень генерируемого акустического сигнала (интенсивность звука в горле рупорной антенны может принимать значение от 2 Вт/см2 до 98 Вт/см2); возможность эффективной передачи дискретной информации в широком диапазоне гидростатических  давлений (на глубине от 0,5 м до 240 м).

 

Литература:

 

1.      Сухарьков О.В. Оптимизация параметров прямоточного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник. – 2008. – 11, № 4. – С. 54 – 63.

2.      Вовк И.В. О возможном механизме автоколебаний в струйных гидродинамических излучателях с развитой кавитацией / И.В. Вовк, В.Т. Гринченко, Ю.М. Дудзинский // Акустичний вісник. – 2008. – 11, № 2. – С. 16 – 23.

3.      Сухарьков О.В. Экспериментальное исследование акустического поля прямоточного гидродинамического излучателя / О.В. Сухарьков // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2007. – №1. – С. 39 – 44.

4.      Сухарьков О.В. Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе  жидкоструйного преобразователя / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник. – 2011. – 14, № 1. – С. 56 – 63.

5.      Морз Ф. Колебания и звук / Ф. Морз.  – М.: ИИЛ, 1948.  – 660 с.

6.       Пат. 60944 Україна, МПК′ H04B 13/00. Спосіб передавання дискретної інформації в умовах частотно-імпульсної модуляції / Сухарьков О.В.; заявник і патентовласник Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова. –             № u 201103723 ; заявл. 28.03.11, опубл. 25.06.11, Бюл. №12.