蘇 鎮(zhèn)

（海軍七〇四工廠 青島 266109）

1 引言

目前潛艇外部傳感器獲取的數(shù)據(jù)必須通過穿艙布設(shè)電纜等措施來傳輸，需要在潛艇耐壓殼上開孔。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題，存在一定的安全隱患。如果有一種技術(shù)能夠通過無線傳輸?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?。而超聲波恰好滿足上述要求，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 超聲波基本特性

2.1 次聲波、聲波和超聲波

人們?cè)谌粘Ｉ钪新牭降母鞣N聲音，是由于各種聲源的震動(dòng)通過空氣等彈性介質(zhì)傳播到耳膜引起的耳膜振動(dòng)，產(chǎn)生聽覺，但并不是任何頻率的機(jī)械振動(dòng)都能引起聽覺，只有頻率在一定范圍內(nèi)的振動(dòng)才能引起聽覺。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，能引起人耳的聽覺，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。人們把能引起聽覺的機(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)，人的耳朵無法感覺到，為了與可聽見的聲波加以區(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)中的傳播過程，實(shí)質(zhì)仍是彈性介質(zhì)的機(jī)械振動(dòng)。

2.2 超聲波的特性

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）超聲波具有良好的方向性

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，能以很狹窄的波來向介質(zhì)中輻射［1］。

2）超聲波具有高能量

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100萬倍［1］。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 超聲波在傳播過程中的衰減

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 衰減的起因

從理論上來說，衰減的起因主要有以下三個(gè)方面。

1）由聲束擴(kuò)展引起的衰減

在聲波的傳播過程中，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［6］。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)無關(guān)。

2）由散射引起的衰減

在聲波的傳播過程中，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［3］。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。

3）由于介質(zhì)的吸收引起的衰減

在聲波的傳播過程中，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 衰減規(guī)律和衰減系數(shù)

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)于平面波來說，其聲壓衰減方程式為

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)［1］。

3 超聲波非穿透性潛艇數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過上述超聲波基礎(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，無法使用無線電傳輸?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)傳輸無疑具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：1）可以無線傳輸，避免了艇體開孔，可以直接透過艇體傳送數(shù)據(jù)；2）超聲波能量大，可以同步傳送能量，再通過換能器將聲能轉(zhuǎn)換成電能，為艙外設(shè)備供電。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)硬件組成

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?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)難點(diǎn)及解決方法

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）超聲波收發(fā)模塊

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］。

2）信號(hào)處理模塊

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)，因此信號(hào)處理模塊從原理上講不存在較高的技術(shù)難度或風(fēng)險(xiǎn)，主要是在工業(yè)應(yīng)用中提高能量轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)語

本文根據(jù)超聲波傳輸?shù)奈锢硖匦?，提出了一種基于超聲波的非穿透性潛艇數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的理論模型，分析了可能存在的技術(shù)難點(diǎn)，為工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

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