一种基于超声波的潜艇数据传输系统＊

2012-10-16苏镇

舰船电子工程 2012年12期

苏镇

（海军七〇四工厂青岛 266109）

1 引言

目前潜艇外部传感器获取的数据必须通过穿舱布设电缆等措施来传输，需要在潜艇耐压壳上开孔。众所周知，潜艇在水下航行时需要承受很大的压力，可以达到几十个大气压，在耐压艇体上开孔会破坏艇体的结构强度，开孔位置必须采取强化措施以适应开孔后受力的变化，增加了钢材的消耗和艇体的排水量，使结构设计复杂化。同时，开孔的尺寸不够灵活，还要处理好开孔位置的密封问题，存在一定的安全隐患。如果有一种技术能够通过无线传输的方式不需要在艇体上开孔就可以将数据传输到艇内，那就可以避免上述穿舱传输的缺陷。而超声波恰好满足上述要求，它能够在金属中传播，具有良好的方向性，而且具有很高的能量，理论上具有作为载体传输数据的可能。

2 超声波基本特性

2.1 次声波、声波和超声波

人们在日常生活中听到的各种声音，是由于各种声源的震动通过空气等弹性介质传播到耳膜引起的耳膜振动，产生听觉，但并不是任何频率的机械振动都能引起听觉，只有频率在一定范围内的振动才能引起听觉。在弹性介质中，如果波源所激发的纵波频率在20～20000Hz之间，能引起人耳的听觉，在这个频率范围内的振动叫做声振动，此时产生的波就叫声波。人们把能引起听觉的机械波称为声波，频率在20～20000Hz之间。当频率低于20Hz或高于20000Hz时，人的耳朵无法感觉到，为了与可听见的声波加以区别，称频率低于20Hz的机械波为次声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。次声波、声波和超声波，都是振动在介质中的传播过程，实质仍是弹性介质的机械振动。

2.2 超声波的特性

超声波能穿透大多数材料，可以在金属内部进行传输，具有以下几方面的特性。

1）超声波具有良好的方向性

超声波是频率很高、波长很短的机械波。其波长比光波的波长稍长，其性能与光波更为接近，具有良好的指向性，频率越高指向性越好，能以很狭窄的波来向介质中辐射［1］。

2）超声波具有高能量

超声波的频率远高于声波，因为声强与频率的平方成正比，因此，超声波的能量远大于声波的能量。如1MHz的超声波所传播的能量相当于振幅相同频率为1KHz的声波传播能量的100万倍［1］。超声波的传播能量大，传播距离远，穿透能力强，特别适合在大厚度的金属中传播。

2.3 超声波在传播过程中的衰减

超声波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减。

2.3.1 衰减的起因

从理论上来说，衰减的起因主要有以下三个方面。

1）由声束扩展引起的衰减

在声波的传播过程中，由于波束的扩散，使单位面积上的声能随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减［6］。扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。

2）由散射引起的衰减

在声波的传播过程中，由于实际材料声阻抗不均，产生散乱反射而引起的衰减称为散射衰减［3］。材料中的杂质、粗晶、内应力、第二相、多晶体晶界面等非均匀性都会引起声波的反射、折射，甚至波形转换，造成散射衰减。散射衰减随着频率的增高而增大，且横波衰减大于纵波衰减。

3）由于介质的吸收引起的衰减

在声波的传播过程中，由于介质质点之间的内摩擦（粘滞性）和热传导，导致声能损耗而引起的衰减，称为吸收衰减。

2.3.2 衰减规律和衰减系数

衰减系数是定量表示声波在介质中衰减情况和规律的方法，衰减规律与波形有关。平面波传播时不存在扩散衰减，只有散射衰减和吸收衰减。

对于平面波来说，其声压衰减方程式为

式中p0为入射到材料界面上时的声压；p为超声波在材料中传播一段距离x后的声压；x为到材料界面的距离；a为衰减系数［1］。

3 超声波非穿透性潜艇数据传输系统设计

通过上述超声波基础知识介绍，我们可以了解到超声波具有非常优良的穿透性，特别适合在大厚度金属中传播，具有方向性好、能量大的特点，在常规电磁波及电磁射线无法工作的场合可以可靠的传输数据。在潜艇工程应用中，舱内外数据传输一直是一个难题。由于潜艇是一个封闭金属体，无法使用无线电传输的方式传输数据，只能使用有线传输，这就需要在耐压壳上进行开孔，造成施工难度大、存在安全隐患。在这种特定的应用情况下，超声波数据传输无疑具有显著的优点：1）可以无线传输，避免了艇体开孔，可以直接透过艇体传送数据；2）超声波能量大，可以同步传送能量，再通过换能器将声能转换成电能，为舱外设备供电。

图1 数据传输结构图

3.1 系统硬件组成

基于超声波的非穿透性潜艇数据传输系统主要应用于潜艇舱内外数据传输。舱内部分主要包括：超声波收发模块、声电转换模块、信号处理模块和设备终端。超声波收发模块主要进行超声波的发射与接收，在艇内外均需配置，实现超声波信号的双向传输。声电转换模块主要实现换能器的作用，将信号处理器送来的电信号进行转换，使其变成声信号，再传给超声波收发模块进行发送，也可以将超声波收发模块接收的声信号转换成电信号再交由信号处理器处理。信号处理器负责将电信号进行处理，以便满足信号传输的需求，在舱内部分分别连接声电转换模块和终端设备，在舱外部分连接声电转换模块和传感器，在功能上也更加复杂一些，除了进行信号处理之外，还要从中提取出能量信号，以便为传感器供电。终端设备用于进行显示、操作、控制等功能，属于人机交互设备，并且是整个系统的控制核心。传感器负责将外部信息进行采集及初步处理。

3.2 系统技术难点及解决方法

该系统在设计实现中主要存在两个技术难题。

1）超声波收发模块

超声波收发模块的设计实现是一个技术难点。一要保证体积小巧，便于安装固定；二是传输效率要高，波束的指向性要精确，以提高数据传输效率；三是传输能量要密集，除了保证数据信号能够传送，还要同步实现能量信号的传输。目前，超声波的工程应用比较丰富，在医疗、工业等领域已经投入实际应用几十年了，积累了丰富的应用经验和形成了丰富的产品线，在该项目中，可以参考超声波在上述专业的应用经验和产品设计，特别是超声波探伤技术，对波束的能量、指向性要求高，所采用的产品体积小巧，完全可以在项目中进行借鉴，从而降低技术开发难度［2］。

2）信号处理模块

舱外部分的信号处理模块也是技术实现的一个难点。其难度在于在信号中区分出数据信号和能量信号，并分别进行提取。超声波在工程应用中，进行探测的应用较多，而用于能量传输的应用还属于一个新兴领域，需要解决能量分离提取，能量转换效率等难题。使用波束同步传输信号与能量在电磁波中已经得到广泛应用，使用载波技术即可实现信号与能量的同步传输，在信号能量分离上也比较容易实现，因此信号处理模块从原理上讲不存在较高的技术难度或风险，主要是在工业应用中提高能量转换效率。