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)

參量換能器系統(tǒng)主要由PC機(jī)、超聲波發(fā)射電路、聲波接收電路、發(fā)射換能器、傳聲器和數(shù)據(jù)采集卡組成。本文擬建立如圖2所示的參量換能器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。其中超聲換能器和傳聲器是用來實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)發(fā)射和聲波信號(hào)接收的裝置；超聲波發(fā)射電路是用來產(chǎn)生一定頻率的載波和調(diào)制信號(hào)，通過調(diào)制、放大后驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射出超聲波信號(hào)；聲波接收電路是用來對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等調(diào)理，以便送人數(shù)據(jù)采集卡，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

參量換能器的超聲波發(fā)射電路，主要包括信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大電路。信號(hào)產(chǎn)生電路主要是用來產(chǎn)生超聲波信號(hào)，功率放大電路主要是用來提高電路的發(fā)射功率從而驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射出超聲波信號(hào)。

3.1 信號(hào)產(chǎn)生電路

參量換能器采用正弦信號(hào)作為載波信號(hào)；調(diào)制信號(hào)可采用Ricker信號(hào)(由PC機(jī)產(chǎn)生)。正弦信號(hào)擬用LM741設(shè)計(jì)了一種RC橋式正弦波振蕩電路，如圖3所示。該電路采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。圖中，D1，D2為二極管元件，其作用是限制輸出電壓的擺幅不斷增大，避免輸出波形失真。

放大電路由電阻R1和R2，R3以及Rd的等效電阻Rf構(gòu)成的負(fù)反饋組成，其中Rd為二極管的內(nèi)阻。放大電路的放大倍數(shù)為：

選頻網(wǎng)絡(luò)由RC組成的串并聯(lián)電路組成，其特征頻率為：

根據(jù)試驗(yàn)需要，可以調(diào)整R，C的值，得到需要的振蕩頻率。

該選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性為：

根據(jù)以上各關(guān)系式以及電路的起振條件，可以確定放大電路反饋回路中R1和R2，R3的比值。

3.2 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路采用PA141作為放大器，構(gòu)成類似橋式的驅(qū)動(dòng)電路，來驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷換能器。具體電路如圖4所示。

PAl41是“APEX”公司推出的8腳高壓?jiǎn)纹傻腗OSFET運(yùn)算放大器，它具有工作電壓高(350 V)、靜態(tài)電流小、輸出電流大(峰值120 mA)等優(yōu)點(diǎn)。PAl41內(nèi)部的輸入保護(hù)電路避免了過高的共模、差模電壓及靜電泄放的影響，其安全工作區(qū)無二次擊穿限制，因此只要選擇合適的限流電阻就可驅(qū)動(dòng)不同的負(fù)載，并可通過PAl41的外部可調(diào)補(bǔ)償電路來選擇合適的帶寬和增益。使用該放大器不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，而且可提高系統(tǒng)的可靠性。

在圖4中，運(yùn)放A1，A2構(gòu)成雙重補(bǔ)給的橋式電路，其中A1的增益為20 dB，A2的輸出與A1反相，從而構(gòu)成差動(dòng)式放大電路。若輸入正弦信號(hào)的電壓幅值為15 V，則施加在換能器兩端的驅(qū)動(dòng)電壓的變化范圍為±300 V。由于PAl41的輸出電流較低，為了得到較高的輸出功率，電路中接人兩個(gè)功率MOS管，以提升輸出電流，從而得到較高的輸出功率來驅(qū)動(dòng)換能器。

4 接收電路的設(shè)計(jì)

參量換能器的回波接收電路由前置放大電路、帶通濾波電路和末級(jí)放大電路組成，如圖5所示。

4.1 前置放大電路

前置放大電路采用具有低功耗、寬頻帶、高精度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的AD620儀用放大器，它是一種電阻可編程的放大器，其內(nèi)部是由三運(yùn)放組成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的電阻經(jīng)激光技術(shù)校準(zhǔn)，整個(gè)放大器具有很高的精度和共模抑制比。AD620的增益是由電阻RG決定的，使用1％的精密電阻，它就能提供精確的增益G。該放大器只需要改變一個(gè)管腳1，8之間的電阻值，就可以在1～1 000之間調(diào)整增益，其增益公式為：

可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，選擇合適的RG來確定電路的增益。

4.2 帶通濾波放大電路

帶通濾波器是用高阻抗運(yùn)算放大器(TL082)和RC阻容元件構(gòu)成的放大器和有源帶通濾波器。

二階有源帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：

式中，ω0為帶通濾波器的中心角頻率，ω0=2πf0，(f0=8 kHz)；Q為品質(zhì)因素；A為濾波器的增益。若BW為帶寬，則有Q=f0／BW，濾波器的參數(shù)滿足如下關(guān)系：

當(dāng)所需帶寬為BW=4 kHz，增益A=5，C1=C2時(shí)，則將已知數(shù)值代入上式，計(jì)算得：若C1=C2=681 pF，則R1=11.7 kΩ，R2=19.5 kΩ，Rf=117 kΩ。

末級(jí)放大電路是由普通的反向運(yùn)算放大器和電阻元件構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)電位器來改變放大器的增益，使接收電路的輸出幅值滿足數(shù)據(jù)采集電路板NI6024的輸入要求。

5 供電電源設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的參量陣收發(fā)電路中需要土175 V，±15 V，±5 V等電源。對(duì)于高壓電源的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中采用推挽式穩(wěn)壓電源功率轉(zhuǎn)換電路，具體電路如圖6所示。

高壓電源設(shè)計(jì)中，由NE555組成的電路提供脈沖信號(hào)，SN75372集成芯片是雙通道與非門TTL／MOS專用接口電路，其中管腳2是兩個(gè)與非門公用的使能輸入端(高電平有效)，管腳1／7和管腳3／6分別是兩個(gè)與非門的輸入／輸出端；管腳4是數(shù)字地；管腳8接5 V直流電源，管腳5接15 V直流電源。利用該接口電路，就可以直接用TTL電平來驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管。R4與R5構(gòu)成分壓電路，用來確定MOSFET功率管IRF520的柵源電壓VGS，進(jìn)而控制功率管導(dǎo)通時(shí)的漏極電流ID；RS是限流電阻，用于限制漏級(jí)電流ID的大小，它可以使功率管導(dǎo)通時(shí)的最大漏級(jí)電流IM基本恒定，避免功率管導(dǎo)通瞬間過大的電流沖擊。該電路通過變壓器輸出后，將橋式整流電路變壓器副邊中點(diǎn)接地，再接上濾波電容，并且兩個(gè)電容的中點(diǎn)接地，可以得到較高的正、負(fù)直流輸出電壓，滿足實(shí)驗(yàn)中高壓電源的需求。

另外，對(duì)于±15 V和±5 V電源，可以利用已有的24 V穩(wěn)壓電源，通過三端穩(wěn)壓集成電路模塊78和79系列得到所需要的直流電壓。

6 結(jié) 語(yǔ)

以上介紹了參量換能器的工作原理和收發(fā)電路的設(shè)計(jì)。對(duì)于實(shí)現(xiàn)參量陣差頻信號(hào)的發(fā)射與接收，實(shí)際工作中還有兩個(gè)需要注意的問題：

(1)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)參量陣，要求原波信號(hào)有較高的聲源級(jí)，尤其在空氣中由于非線性效應(yīng)較弱，對(duì)聲源級(jí)的要求也更高，這也增大發(fā)射器的功率。

(2)參量換能器的轉(zhuǎn)換效率較低，一般很難超過1％。如何提高參量換能器的效率，仍是一個(gè)值得探索的研究課題。

下一步工作是在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)參量陣超聲波的發(fā)射和聲波的接收，并且在空氣中和水下驗(yàn)證參量陣的性能指標(biāo)，其中還要注意換能器在空氣和水下的阻抗率匹配問題。