声学参量换能器阵及其测试系统设计

　　0 引言

　　声学参量阵(Parametric Acoustic Array)是指沿同一方向传播的两个高频初始波,由于介质的非线性效应,在远场形成差频、和频等声波的声发射装置[1]。根据介质中声吸收原理,声吸收系数与频率的平方成正比,在声波的传播过程中,和频及原波等频率较高的信号衰减很快,经过一段距离后,仅剩下频率较低的差频信号。与常规声纳相比,该差频信号具有如下特点:首先,其具有更好的指向性。其次,几乎没有旁瓣,避免了在浅海沉底或沉积物探测过程中由于边界不均匀性所带来的干扰和信号处理的复杂性。第三,频带很宽,具有较大的信息容量和很高的保真度,因此可以获得较高的信息处理增益以及较高的保真度传输信息等优点。

　　基于上述优点,参量阵在水下探测、水下通信等领域有很大的应用前景。目前市场上的产品有SES-96和SES-2000系列参量阵测深/浅地层剖面仪[2]、中国科学院东海研究站研制成功的参量阵“堤防隐患监测声纳”、美国技术公司开发的极超音速扬声器系统(Hypersonic Sound System, HSS)[3]等。虽然如此,参量阵技术目前还不成熟,并没有形成统一的国际标准或行业规范。本文首先介绍参量阵的理论基础,进而设计一个九元换能器阵,最后着重介绍了功率放大电路、换能器驱动方式、接收电路等的设计,旨在对声学参量阵在空气中的应用做一些初步的探索和研究,为其应用于水声探测等领域做准备。

　　1 声学参量阵理论

　　假设有两个高频初始信号f1和f2(不如设f1>f2),经过参量换能器发射阵在高压下发射后,由于介质的非线性作用(如果只考虑二阶量),在传播过程中,换能器的发射方向将会有差频信号(f1-f2)、和频信号(f1+f2)、倍频信号(2f1和2f2)等声波信号产生[1]。因为f1和f2可以做得很接近且较容易,所以差频信号(f1-f2)的频率可以很低,这样就具有很强的沉积层穿透力,从而用来探测海底浅部地层结构,而反射的原波信号则可用于精确的水深测量。

　　同时,由于初始信号f1和f2的频率较高,换能器就可以做得很小,所产生的差频信号强度较初始声波稍高,衰减较慢,波束角与高频时非常接近,且没有旁瓣,因此波束指向性好,具有较高的分辨率。若差频声波可控的话,则可以承载更多的沉积层信息,对埋入沉积层的目标更容易进行分类识别。

　　2 系统结构原理框图

　　参量阵发射电路的原理框图如图1所示,主要包括PC机、数据采集卡、正弦信号产生电路、信号控制电路、功率放大电路、信号接收电路及换能器阵等部分。其中, PC机主要是通过LabVIEW软件完成对脉冲电压的产生,通过数据采集卡进行DA转换后,对输入功率放大电路的信号实行精确的时间控制;正弦信号产生电路采用典型RC振荡电路来实现正弦信号的产生[4];信号控制电路则是采用集成模拟电子开关芯片CD4066[5],在脉冲电压的控制下,控制功率放大电路的输入信号。功率放大电路用来提高输入换能器发射阵的信号的功率,并驱动换能器,最终实现信号的发射;而信号接收电路则是对传声器接收到的回波信号进行处理,包括前端放大、带通滤波及末级放大等几个处理环节。