超聲波在艦艇上開孔的研究

1開孔的進(jìn)一步限制目前，外傳感器數(shù)據(jù)的傳輸必須通過(guò)安裝電纜等措施進(jìn)行調(diào)整，并在承受海洋外殼的情況下打開孔。眾所周知,潛艇在水下航行時(shí)需要承受很大的壓力,可以達(dá)到幾十個(gè)大氣壓,在耐壓艇體上開孔會(huì)破壞艇體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,開孔位置必須采取強(qiáng)化措施以適應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜化。同時(shí),開孔的尺寸不夠靈活,還要處理好開孔位置的密封問(wèn)題,存在一定的安全隱患。如果有一種技術(shù)能夠通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞讲恍枰谕w上開孔就可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵?nèi),那就可以避免上述穿艙傳輸?shù)娜毕荨６暡ㄇ『脻M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(shù)據(jù)的可能。2超聲波的基本功能2.1界定頻率大小的法人們?cè)谌粘Ｉ钪新?tīng)到的各種聲音,是由于各種聲源的震動(dòng)通過(guò)空氣等彈性介質(zhì)傳播到耳膜引起的耳膜振動(dòng),產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué),但并不是任何頻率的機(jī)械振動(dòng)都能引起聽(tīng)覺(jué),只有頻率在一定范圍內(nèi)的振動(dòng)才能引起聽(tīng)覺(jué)。在彈性介質(zhì)中,如果波源所激發(fā)的縱波頻率在20～20000Hz之間,能引起人耳的聽(tīng)覺(jué),在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)叫做聲振動(dòng),此時(shí)產(chǎn)生的波就叫聲波。人們把能引起聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械波稱為聲波,頻率在20～20000Hz之間。當(dāng)頻率低于20Hz或高于20000Hz時(shí),人的耳朵無(wú)法感覺(jué)到,為了與可聽(tīng)見(jiàn)的聲波加以區(qū)別,稱頻率低于20Hz的機(jī)械波為次聲波,頻率高于20000Hz的機(jī)械波稱為超聲波。次聲波、聲波和超聲波,都是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過(guò)程,實(shí)質(zhì)仍是彈性介質(zhì)的機(jī)械振動(dòng)。2.2超聲特性超聲波能穿透大多數(shù)材料,可以在金屬內(nèi)部進(jìn)行傳輸,具有以下幾方面的特性。1波長(zhǎng)和頻率超聲波是頻率很高、波長(zhǎng)很短的機(jī)械波。其波長(zhǎng)比光波的波長(zhǎng)稍長(zhǎng),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(lái)向介質(zhì)中輻射。2波的能量不同超聲波的頻率遠(yuǎn)高于聲波,因?yàn)槁晱?qiáng)與頻率的平方成正比,因此,超聲波的能量遠(yuǎn)大于聲波的能量。如1MHz的超聲波所傳播的能量相當(dāng)于振幅相同頻率為1KHz的聲波傳播能量的100萬(wàn)倍。超聲波的傳播能量大,傳播距離遠(yuǎn),穿透能力強(qiáng),特別適合在大厚度的金屬中傳播。2.3超聲在傳播過(guò)程中的衰減超聲波在實(shí)際介質(zhì)中傳播時(shí),其能量將隨距離的增大而逐漸減小,這種現(xiàn)象稱為衰減。2.3.1減少的原因從理論上來(lái)說(shuō),衰減的起因主要有以下三個(gè)方面。1擴(kuò)散衰減在聲波的傳播過(guò)程中,由于波束的擴(kuò)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(kuò)散衰減。擴(kuò)散衰減僅取決于波的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。2散射衰減的影響在聲波的傳播過(guò)程中,由于實(shí)際材料聲阻抗不均,產(chǎn)生散亂反射而引起的衰減稱為散射衰減。材料中的雜質(zhì)、粗晶、內(nèi)應(yīng)力、第二相、多晶體晶界面等非均勻性都會(huì)引起聲波的反射、折射,甚至波形轉(zhuǎn)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。32由于介質(zhì)吸收引起的衰減在聲波的傳播過(guò)程中,由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦(粘滯性)和熱傳導(dǎo),導(dǎo)致聲能損耗而引起的衰減,稱為吸收衰減。2.3.2聲壓衰減方程衰減系數(shù)是定量表示聲波在介質(zhì)中衰減情況和規(guī)律的方法,衰減規(guī)律與波形有關(guān)。平面波傳播時(shí)不存在擴(kuò)散衰減,只有散射衰減和吸收衰減。對(duì)于平面波來(lái)說(shuō),其聲壓衰減方程式為p=p0e-ax(1)式中p0為入射到材料界面上時(shí)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(shù)。3超聲波數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)上述超聲波基礎(chǔ)知識(shí)介紹,我們可以了解到超聲波具有非常優(yōu)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(diǎn),在常規(guī)電磁波及電磁射線無(wú)法工作的場(chǎng)合可以可靠的傳輸數(shù)據(jù)。在潛艇工程應(yīng)用中,艙內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸一直是一個(gè)難題。由于潛艇是一個(gè)封閉金屬體,無(wú)法使用無(wú)線電傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù),只能使用有線傳輸,這就需要在耐壓殼上進(jìn)行開孔,造成施工難度大、存在安全隱患。在這種特定的應(yīng)用情況下,超聲波數(shù)據(jù)傳輸無(wú)疑具有顯著的優(yōu)點(diǎn):1)可以無(wú)線傳輸,避免了艇體開孔,可以直接透過(guò)艇體傳送數(shù)據(jù);2)超聲波能量大,可以同步傳送能量,再通過(guò)換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電能,為艙外設(shè)備供電。3.1聲電轉(zhuǎn)換模塊基于超聲波的非穿透性潛艇數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要應(yīng)用于潛艇艙內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸。艙內(nèi)部分主要包括:超聲波收發(fā)模塊、聲電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和設(shè)備終端。超聲波收發(fā)模塊主要進(jìn)行超聲波的發(fā)射與接收,在艇內(nèi)外均需配置,實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的雙向傳輸。聲電轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)換能器的作用,將信號(hào)處理器送來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使其變成聲信號(hào),再傳給超聲波收發(fā)模塊進(jìn)行發(fā)送,也可以將超聲波收發(fā)模塊接收的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再交由信號(hào)處理器處理。信號(hào)處理器負(fù)責(zé)將電信號(hào)進(jìn)行處理,以便滿足信號(hào)傳輸?shù)男枨?在艙內(nèi)部分分別連接聲電轉(zhuǎn)換模塊和終端設(shè)備,在艙外部分連接聲電轉(zhuǎn)換模塊和傳感器,在功能上也更加復(fù)雜一些,除了進(jìn)行信號(hào)處理之外,還要從中提取出能量信號(hào),以便為傳感器供電。終端設(shè)備用于進(jìn)行顯示、操作、控制等功能,屬于人機(jī)交互設(shè)備,并且是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。傳感器負(fù)責(zé)將外部信息進(jìn)行采集及初步處理。3.2系統(tǒng)技術(shù)的困難和解決方案該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中主要存在兩個(gè)技術(shù)難題。1能量傳輸要同步超聲波收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。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(shù)據(jù)傳輸效率;三是傳輸能量要密集,除了保證數(shù)據(jù)信號(hào)能夠傳送,還要同步實(shí)現(xiàn)能量信號(hào)的傳輸。目前,超聲波的工程應(yīng)用比較豐富,在醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用幾十年了,積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和形成了豐富的產(chǎn)品線,在該項(xiàng)目中,可以參考超聲波在上述專業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì),特別是超聲波探傷技術(shù),對(duì)波束的能量、指向性要求高,所采用的產(chǎn)品體積小巧,完全可以在項(xiàng)目中進(jìn)行借鑒,從而降低技術(shù)開發(fā)難度。2波在工程應(yīng)用中的問(wèn)題艙外部分的信號(hào)處理模塊也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)。其難度在于在信號(hào)中區(qū)分出數(shù)據(jù)信號(hào)和能量信號(hào),并分別進(jìn)行提取。超聲波在工程應(yīng)用中,進(jìn)行探測(cè)的應(yīng)用較多,而用于能量傳輸?shù)膽?yīng)用還屬于一個(gè)新興領(lǐng)域,需要解決能量分離提取,能量轉(zhuǎn)換效率等難題。使用波束同步傳輸信號(hào)與能量在電磁波中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,使用載波技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)與能量的同步傳輸,在信號(hào)能量分離上也比較容易實(shí)現(xiàn)