深海浮标式水下监听装置电路系统的设计

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 引言

  现在海洋技术飞速发展,深海水下爆炸装置的应用也越来越多,然而,从海面上是无法直接收听到爆炸装置的爆炸声的,这就需要设计一种装置来记录爆炸声信号,已确定装置是否确实引爆。本文就是介绍这样一种装置——深海浮标式水下监听装置。本装置通过换能器接受爆炸信号。通过频率变换合成电路,将爆炸声转换为频率为1kHz的可记录的信号,记录到录音笔中。可以通过播放录音笔来听取爆炸信号,或者,接到示波器上观察,更为直观。

  本装置采用双体流线型玻璃钢结构,中间装配绕索筒和电路仪器舱,具有外形小,重量轻,浮力大,布放方便的特点。结构示意图如图1所示。

 

  电路仪器舱的电路设计

  电路仪器舱用来实现对换能器信号的处理,最终将收取到的爆炸信号记录到录音笔中。电路仪器舱由放大电路、频率变换合成电路、录音笔,供电装置组成。仪器舱的信号流框图见图2。

  水听器

  水听器分为发射水听器和接受接收器[1]。发射水听器安装在爆炸装置上,声源级为185dB,接受水听器布放在水下15米处,主要是接受水下的爆炸声信号,并将其转换为电信号。通过三芯带屏蔽网的电缆线与浮标内的处理电路相连。电缆要有耐磨性、有足够的强度,能够支撑换能器重量的要求。

       放大电路

  放大器使用的是TI公司的TLC277[3]精密双运放放大器。由于爆炸装置可能在水下100m,200m,300m,400m及400m以上进行爆炸分离,爆炸装置在不同深度上发出不同的个数的声脉冲,用以判断爆炸装置的爆炸分离的深度,具体关系见表1。因为爆炸装置爆炸分离的深度不同,换能器接受的电压信号就会有差异,具体关系见下式:


 

 

  其中:mV为换能器输出电压值α;M0为换能器的灵密度;mPa为1平方米上的压力;TL为声信号在水中的衰减;r为爆炸装置分离时的距离; 为海况系数。

 

  与此可见,爆炸装置爆炸分离时的距离越远声信号的衰减越大,接收到的电信号也就越小。所以,我们将放大器的放大倍数设为两个级别25倍和300倍,25倍用于爆炸装置处于400米以上,300倍用于爆炸装置处于400米以下。放大倍数的选择可以通过电路板上的短路块实现前放TLC272(U3)的放大倍数25倍或300倍可通过J1短接块实现,1和2 短接则放大25倍;2和3短接则放大300倍。放大电路见图3。

 

  频率变换合成电路

  频率变换合成电路是将频率为25kHz左右人耳听不到的爆炸噪声信号变换为频率为1kHz人耳能听到的信号。其中25kHz的带通滤波器选用的是MAXIM公司的MAX275AEPP[2],滤波频率可以通过外面的4个电阻来实现。具体计算如下:

  R18=(2×109)/(f0 ×Holp)×(Rx/Ry)

  R19=Q(2×109)/f0×(Rx/Ry)

  R20=R21+R22-5KΩ

  R21+R22=2×109/f0

  其中:f0为带通滤波的中心频率;Q为品质因素;Holp为放大系数;Rx/Ry=1/5

        滤波电路示于图4。1kHz频率的信号通过555定时器的单稳电路和震荡电路得到。合成器是通过TLC277将频率进行叠加。

 

  录音笔

  录音笔是信号的记录部分,选用的是DEC公司的DEC-SR370se。录音模式分三种可选择:高清晰度模式,可录音4小时;普通模式,可以录音9小时;低清晰度模式,可录音18小时。试验完后,可以从浮标内取出,播放来听取噪声信号。或者,接到示波器上进行观察,更加直观,

  供电装置

  本装置采用电池供电,选用成都建中锂电池厂的CR17450,四节电池做成电池盒,其中三节串联给电路板供电,一节给录音笔供电。CR17450的容量为1800毫安时。可以满足电路板75小时供电,录音笔15小时供电。

  结语

  本装置已经在深海水下爆炸监听中得到了实际应用,系统工作稳定,装置通过水上反演,结果显示装置能够很好地记录了深海的爆炸声。获得良好的效果,得到使用方的肯定。