参量换能器原理和收发电路设计

1 引 言

声参量阵(Parametric Array)是利用媒质的非线性效应，使用换能器(阵)沿同一方向传播两个高频初始波，获得差频、和频等声波的声发射装置。由于声吸收系数与频率的平方成正比，在声波的传播过程中，频率较高的超声波和频信号衰减很快，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，差频波几乎没有旁瓣，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。其次，与常规换能器相比较，差频波具有更好的指向性。例如，工作频率为2 kHz的线阵，要得到3°的波束宽度，线阵的长度大约为25 m，而得到同样波束宽度的参量阵换能器发射孔径仅需36 cm×36 cm(主频为100 kHz)，这就有利于开发窄波束声源用于探测浅水域尺寸远远小于水柱深度的物体。第三，差频声波具有大于10 kHz的带宽，故可以采用先进的扩频检测算法。

目前，参量阵技术的研究与应用开发以成为声学技术领域的前沿课题之一。例如，以美国ATC公司为代表的一些企业，正在研发各种系列参量扬声器，实现了声音的定向传播。德国的INNOMAR公司利用罗斯托克大学水下声学研究小组的研究成果，生产出了SES-96和SES-2000系列的参量阵测深／浅地层剖面仪，是目前广泛应用的一种强有力的浅海水下探测仪器。在国内，中国科学院东海研究站早在1995年就为澳大利亚DSTO研制了一套单波束参量阵探雷仪器，1997年又研制了用于江河侦察的530参量阵声纳，近期又研制成功了参量阵“堤防隐患监测声呐”，可以对江河湖底和海底沉积层进行探测识别或对堤防损毁程度进行探测评估。国内的一些大学和声学研究机构也开展了利用空气参量阵来实现声波定向传播的应用研究，并取得了阶段性成果。

2 参量换能器的原理

2.1 参量阵的工作原理

声参量阵是利用介质的非线性特性，使用2个沿同一方向传播的高频初始波在远场中获得的差频及和频波的声发射装置。参量阵声纳在高压下同时向媒介发射2个频率相近的高频声波信号(f1，f2)作为主频，声波在介质中传播时由于介质的非线性效应而形成差频波，改变2个主频频率就可以控制差频波的频率，当换能器发射声波作用于媒介体时，在换能器的发射方向会产生一系二次频率，如f1，f2，(f1+f2)，(f11-f2)，2f1，2f2的声波信号，因f1、f2的频率非常接近，所以差频(f1-f2)的频率很低，具有很强的沉积层穿透力，可以用来探测海底浅部地层结构，而反射的主频声波信号则用于精确的水深测量。由于主频的频率高，换能器可以制作得很小。产生的差频声波信号强度比主频声波强度稍高，衰减较慢，传播达到1个衍射单位长度时，声强最大，然后逐渐衰减。差频声波信号与高频时的波束角非常接近，且没有旁瓣，因此波束指向性好，具有较高的分辨率，可控的差频声波信号可以承载更多的沉积层信息，以便于对埋入沉积层的目标进行分类识别。

与常规的换能器相比，参量换能器除了具有上述优点之外，也有比较明显的缺点：

(1)为了实现非线性声学效应，要求原波的声源级(SL)较高，当原波平均频率为40 kHz时，通常要求原波的声援级为238 dB。应当指出，如果换能器的发射功率太大，在水下应用时有可能出现空化现象。

(2)参量换能器的能量转换效率较低，一般很难超过1％。

2.2 参量换能器的系统设计

(1)换能器设计

换能器结构的正确选择，对于本参量换能器实验验证系统的设计是至关重要的。根据参量阵的发射原理，我们选择圆形压电陶瓷换能器来发射原波信号，并利用传声器进行回波接收。如图1所示。压电陶瓷换能器是当前水声领域中广泛使用的一类换能器，它具有电声转换效率高、灵敏度好、容易成形等特点。文献[4]中指出，如果原波频率太高，就会使频率下降比(即原波频率与差频波频率之比)增加，从而降低能量转换效率；反之，如果原波频率太低，则需要较大的换能器发射孔径，才能获得较好的声波指向性。因此，在参量换能器的设计应折衷考虑上述两个因素。在本实验中，选择了谐振频率为87 kHz，带宽为14 kHz的换能器。该换能器的尺寸规格为φ25 mm×1 mm。为了接收差频声波，选择频率范围为20～20 000 Hz的全指向性驻极体电容传声器作为回波信号接收器，其尺寸规格为φ9.7 mm×6.7 mm。

(2)参量换能器系统设计

参量换能器系统主要由PC机、超声波发射电路、声波接收电路、发射换能器、传声器和数据采集卡组成。本文拟建立如图2所示的参量换能器实验验证系统。其中超声换能器和传声器是用来实现超声波信号发射和声波信号接收的装置；超声波发射电路是用来产生一定频