一种低功耗水下定位声纳信标的电路设计＊

(中国船舶重工集团公司第七一五研究所 杭州 310012)

1 引言

为了能对失事沉入水底的船只或飞机所处位置进行定位,船只或飞机上需要安装一种能发出预置声信号的装置,用来帮助救援人员确定其具体方位。本方案研制的水下定位声纳信标,安装在船只或飞机上,当船只或飞机沉入水底后,该信标会自动周期性地发射声信号,救援人员通过检测装置接收其发出的声信号从而进行对其定位。

2 主要功能及工作原理

水下定位声纳信标主要功能是周期性地发射信号,供检测装置接收,检测装置接收到水下定位声纳信标发射的声信号后完成定位。水下定位声纳信标入水前电源处于断开状态,入水后与海水形成回路接通,整个电路开始工作,此信标电路就会根据预先设计的方式通过换能器发射声信号,信号为一定周期,且有一定脉宽和幅值的正弦波电压。换能器发射的信号需达到预定的声源级[1],使检测装置能够在一定距离内检测到目标。

3 水下定位声纳信标的设计

水下定位声纳信标主要由四个功能模块组成,其原理框图如图1所示。

图1 水下定位信标原理框图

电源模块由锂电池、电源转换芯片构成。锂电池标称电压为3.6V,当电池电压大于2V时,电源转换芯片即可保证整个电路正常工作;信号发生电路输出脉宽为10ms±10%,周期为1s±10%,幅值为5V的方波脉冲信号;振荡电路的功能是在信号发生电路输出5V高电平时输出37.5kHz±0.5kHz的正弦电压信号;换能器进行电声转换,发出一定声源级的声信号。而整个信标发射电路在入水后才能形成回路开始工作,发出声信号,整个回路的低功耗主要通过周期性发射脉冲减少信号发生电路的损耗、提高振荡电路和换能器的转换效率实现的。

3.1 电源

电源部分主要是由一节锂电池构成,电压转换芯片MAX619[2]把3.6V电压转换为5V,作为信号发生电路和振荡电路的工作电压,其具体工作原理如图2所示的电源部分,其中电压转换芯片在锂电池不小于2V时都能正常工作。

3.2 信号发生电路

信号发生电路如图2所示的信号发生部分,在电源正常工作的条件下,其周期性的方波信号的功能主要由单稳态多频振荡集成芯片CD4047[3]及其外部电阻R5,R6、二极管D2和电容C5实现。其中D1为整流二极管,也能防止调试过程中电源反接,保护其它器件;D3二极管起到限幅作用,控制输出方波脉冲的幅值,防止输出方波瞬间产生过冲。

图2 信号生成电路

锂电池提供的电压经电压转换芯片提供5V电压使CD4047正常工作;其宽度10ms,周期为1s的方波脉冲信号在芯片CD4047正常工作的模式下由R、C端接入的电阻和电容值决定。电路工作时其三极管Q1、Q2均处于饱和状态,集电极电压小于0.4V,均为低电平。三极管Q1集电极端低电平用于开启稳压芯片使其正常工作。三极管Q2集电极低电平用于选取芯片CD4047工作模式。

信号发生电路产生的方波信号如图3所示：(a)图中显示方波信号的周期约为1s,(b)图中显示方波信号的脉宽为9.4ms,幅值约为5V。

图3 信号发生电路产生的方波信号波形

3.3 振荡电路

振荡电路如图4所示,当信号发出10ms宽度的脉冲时,Q3,Q4三极管处于导通状态,变压器工作产生37.5kHz的正弦波;稳压管Z1和Z2为三极管提供静态工作点,此时三极管起到放大作用,主要目的增加整个回路的驱动能力;变压器二次边有两套绕组,其中3、4端的一套绕组起到电压正反馈作用,设计的整个电路构成自激振荡电路[4～6],电容C6提供交流通道;5、6端输出正弦电压提供给换能器工作,输出声信号。

图4 振荡电路

信号发生电路产生的方波启动振荡电路开始工作,变压器5、6端分别与换能器输入端连接,振荡电路输出电压波形如图5所示：(a)图显示输出波形周期为960ms,(b)图显示输出波形的单个脉宽为9.5ms,均与信号发生电路产生的方波信号周期和脉宽一致,(c)图显示在单个脉宽下输出电压的峰峰值为83.8V,频率为37.0kHz,即为接入换能器两端的电压波形,与预期设计要求基本一致,验证了电路设计的正确性。

3.4 换能器

信标电路输出的正弦电压经过换能器转换成声信号,换能器的参数反映了负载的性质,同时也决定着换能器的电声转换效率。水声设备中应用最多的换能器是磁致伸缩和压电陶瓷换能器[7],磁致伸缩和压电陶瓷换能器机械谐振分别对应呈感性负载和容性负载。信标电路使用的是压电陶瓷换能器,等效电路为容性负载[8]。换能器安装在圆筒结构内,发射声源级不小于 160.5dB(在37.5 kHz处),电声转换效率不小于60%,在一定的水压下不损坏,并且密封性保持良好。

4 水池试验

水下定位声纳信标采用的是圆筒结构,装配成功的样机在国防一级水声计量站进行了水池试验,样机和计量站测量发射声源级的实验设备如图6所示,样机放入水池深度为3m,水听器到信标换能器的水平距离为1m。圆筒上端盖顶部中心是顶针,与整个圆筒外壳不接触,只有顶针与圆筒外壳接通形成回路后,整个电路才开始导通工作。

声信号接收设备接收到换能器的声信号波形如图7所示：(a)声信号波形脉宽约为9.5ms,(b)声信号波形的峰峰值为90V,频率为37.7kHz。利用水听器接收电压波形幅值折算,信标换能器的声源级约为160.5dB,信号发射时整机电路电流约为52mA,在非发射信号期间整机静态电流约1mA,基本符合信标的低功耗和声源级设计要求。

5 结语

本文主要设计了一种水下定位声纳信标电路,入水后自动根据预先设计的方式通过换能器发射声信号,供检测装置接收其发出的声信号后实现对失事沉入水底的船只或飞机定位。该信标电路通过水池实验验证具有以下结论：

1)水下定位声纳信标电路设计合理

整个电路开始工作后,发出预定的周期为1s±10%,脉宽为 10ms±10%,频率为 37.5kHz±0.5kHz的正弦波电压信号,换能器进行电声转换,发出声信号,救生人员利用检测装置接收声信号并进行定位。

2)整机设计低功耗

信号发射时整机电路电流不大于70mA,在非发射信号期间整机静态电流不大于1.5mA,信标电路只用一节一次性电池供电,连续的工作时间可以不小于30天。

3)信标总体结构设计体积小,重量轻

信标采用外径33mm,长度99.5mm的圆筒型结构,重量不大于300g,适合在船舶和飞机的黑匣子上安装使用。

[1]尤立克R J.水声原理[M].洪中,译.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社,1990

[2]MAXIM.M AX619 Date sheet,1996

[3]Fairchild Semiconductor Corporation.CD4047 Date sheet,1999

[4]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].第三版.北京：高等教育出版社,2001

[5]何希才,等.新型通用集成电路实用技术[M].北京：高等教育出版社,2001

[6]梁明理,邓仁清.电子线路[M].第四版.北京：高等教育出版社,2001

[7]田坦,刘国军,孙大军.声呐技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2000

[8]何祚镛,赵玉芳.声学理论基础[M].北京：国防工业出版社,1981