參量換能器原理和收發(fā)電路設(shè)計(jì)

1 引 言

聲參量陣(Parametric Array)是利用媒質(zhì)的非線性效應(yīng)，使用換能器(陣)沿同一方向傳播兩個(gè)高頻初始波，獲得差頻、和頻等聲波的聲發(fā)射裝置。由于聲吸收系數(shù)與頻率的平方成正比，在聲波的傳播過程中，頻率較高的超聲波和頻信號衰減很快，經(jīng)過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號。與常規(guī)聲納相比，該差頻信號具有如下特點(diǎn)：首先，差頻波幾乎沒有旁瓣，避免了在淺海沉底或沉積物探測過程中由于邊界不均勻性所帶來的干擾和信號處理的復(fù)雜性。其次，與常規(guī)換能器相比較，差頻波具有更好的指向性。例如，工作頻率為2 kHz的線陣，要得到3°的波束寬度，線陣的長度大約為25 m，而得到同樣波束寬度的參量陣換能器發(fā)射孔徑僅需36 cm×36 cm(主頻為100 kHz)，這就有利于開發(fā)窄波束聲源用于探測淺水域尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水柱深度的物體。第三，差頻聲波具有大于10 kHz的帶寬，故可以采用先進(jìn)的擴(kuò)頻檢測算法。

目前，參量陣技術(shù)的研究與應(yīng)用開發(fā)以成為聲學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題之一。例如，以美國ATC公司為代表的一些企業(yè)，正在研發(fā)各種系列參量揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)了聲音的定向傳播。德國的INNOMAR公司利用羅斯托克大學(xué)水下聲學(xué)研究小組的研究成果，生產(chǎn)出了SES-96和SES-2000系列的參量陣測深／淺地層剖面儀，是目前廣泛應(yīng)用的一種強(qiáng)有力的淺海水下探測儀器。在國內(nèi)，中國科學(xué)院東海研究站早在1995年就為澳大利亞DSTO研制了一套單波束參量陣探雷儀器，1997年又研制了用于江河偵察的530參量陣聲納，近期又研制成功了參量陣“堤防隱患監(jiān)測聲吶”，可以對江河湖底和海底沉積層進(jìn)行探測識別或?qū)Φ谭罁p毀程度進(jìn)行探測評估。國內(nèi)的一些大學(xué)和聲學(xué)研究機(jī)構(gòu)也開展了利用空氣參量陣來實(shí)現(xiàn)聲波定向傳播的應(yīng)用研究，并取得了階段性成果。

2 參量換能器的原理

2.1 參量陣的工作原理

聲參量陣是利用介質(zhì)的非線性特性，使用2個(gè)沿同一方向傳播的高頻初始波在遠(yuǎn)場中獲得的差頻及和頻波的聲發(fā)射裝置。參量陣聲納在高壓下同時(shí)向媒介發(fā)射2個(gè)頻率相近的高頻聲波信號(f1，f2)作為主頻，聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)而形成差頻波，改變2個(gè)主頻頻率就可以控制差頻波的頻率，當(dāng)換能器發(fā)射聲波作用于媒介體時(shí)，在換能器的發(fā)射方向會產(chǎn)生一系二次頻率，如f1，f2，(f1+f2)，(f11-f2)，2f1，2f2的聲波信號，因f1、f2的頻率非常接近，所以差頻(f1-f2)的頻率很低，具有很強(qiáng)的沉積層穿透力，可以用來探測海底淺部地層結(jié)構(gòu)，而反射的主頻聲波信號則用于精確的水深測量。由于主頻的頻率高，換能器可以制作得很小。產(chǎn)生的差頻聲波信號強(qiáng)度比主頻聲波強(qiáng)度稍高，衰減較慢，傳播達(dá)到1個(gè)衍射單位長度時(shí)，聲強(qiáng)最大，然后逐漸衰減。差頻聲波信號與高頻時(shí)的波束角非常接近，且沒有旁瓣，因此波束指向性好，具有較高的分辨率，可控的差頻聲波信號可以承載更多的沉積層信息，以便于對埋入沉積層的目標(biāo)進(jìn)行分類識別。

與常規(guī)的換能器相比，參量換能器除了具有上述優(yōu)點(diǎn)之外，也有比較明顯的缺點(diǎn)：

(1)為了實(shí)現(xiàn)非線性聲學(xué)效應(yīng)，要求原波的聲源級(SL)較高，當(dāng)原波平均頻率為40 kHz時(shí)，通常要求原波的聲援級為238 dB。應(yīng)當(dāng)指出，如果換能器的發(fā)射功率太大，在水下應(yīng)用時(shí)有可能出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

(2)參量換能器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，一般很難超過1％。

2.2 參量換能器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)換能器設(shè)計(jì)

換能器結(jié)構(gòu)的正確選擇，對于本參量換能器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。根據(jù)參量陣的發(fā)射原理，我們選擇圓形壓電陶瓷換能器來發(fā)射原波信號，并利用傳聲器進(jìn)行回波接收。如圖1所示。壓電陶瓷換能器是當(dāng)前水聲領(lǐng)域中廣泛使用的一類換能器，它具有電聲轉(zhuǎn)換效率高、靈敏度好、容易成形等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]中指出，如果原波頻率太高，就會使頻率下降比(即原波頻率與差頻波頻率之比)增加，從而降低能量轉(zhuǎn)換效率；反之，如果原波頻率太低，則需要較大的換能器發(fā)射孔徑，才能獲得較好的聲波指向性。因此，在參量換能器的設(shè)計(jì)應(yīng)折衷考慮上述兩個(gè)因素。在本實(shí)驗(yàn)中，選擇了諧振頻率為87 kHz，帶寬為14 kHz的換能器。該換能器的尺寸規(guī)格為φ25 mm×1 mm。為了接收差頻聲波，選擇頻率范圍為20～20 000 Hz的全指向性駐極體電容傳聲器作為回波信號接收器，其尺寸規(guī)格為φ9.7 mm×6.7 mm。

(2)參量換能器系統(tǒng)設(shè)計(jì)