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(hào)衰減很快，經(jīng)過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號(hào)。與常規(guī)聲納相比，該差頻信號(hào)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(cè)過程中由于邊界不均勻性所帶來的干擾和信號(hào)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(guó)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(guó)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(cè)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(cè)儀器。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)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(cè)聲吶”，可以對(duì)江河湖底和海底沉積層進(jìn)行探測(cè)識(shí)別或?qū)Φ谭罁p毀程度進(jìn)行探測(cè)評(píng)估。國(guó)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(chǎng)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(hào)(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(huì)產(chǎn)生一系二次頻率，如f1，f2，(f1+f2)，(f11-f2)，2f1，2f2的聲波信號(hào)，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(cè)海底淺部地層結(jié)構(gòu)，而反射的主頻聲波信號(hào)則用于精確的水深測(cè)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(hào)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(zhǎng)度時(shí)，聲強(qiáng)最大，然后逐漸衰減。差頻聲波信號(hào)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(hào)可以承載更多的沉積層信息，以便于對(duì)埋入沉積層的目標(biāo)進(jìn)行分類識(shí)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(jí)(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(jí)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(duì)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(hào)，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(huì)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(hào)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)