參量換能器原理和收發電路設計

1 引 言

聲參量陣(Parametric Array)是利用媒質的非線性效應，使用換能器(陣)沿同一方向傳播兩個高頻初始波，獲得差頻、和頻等聲波的聲發射裝置。由于聲吸收系數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，經過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號。與常規聲納相比，該差頻信號具有如下特點：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雜性。其次，與常規換能器相比較，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射孔徑僅需36 cm×36 cm(主頻為100 kHz)，這就有利于開發窄波束聲源用于探測淺水域尺寸遠遠小于水柱深度的物體。第三，差頻聲波具有大于10 kHz的帶寬，故可以采用先進的擴頻檢測算法。

目前，參量陣技術的研究與應用開發以成為聲學技術領域的前沿課題之一。例如，以美國ATC公司為代表的一些企業，正在研發各種系列參量揚聲器，實現了聲音的定向傳播。德國的INNOMAR公司利用羅斯托克大學水下聲學研究小組的研究成果，生產出了SES-96和SES-2000系列的參量陣測深／淺地層剖面儀，是目前廣泛應用的一種強有力的淺海水下探測儀器。在國內，中國科學院東海研究站早在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“堤防隱患監測聲吶”，可以對江河湖底和海底沉積層進行探測識別或對堤防損毀程度進行探測評估。國內的一些大學和聲學研究機構也開展了利用空氣參量陣來實現聲波定向傳播的應用研究，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的非線性特性，使用2個沿同一方向傳播的高頻初始波在遠場中獲得的差頻及和頻波的聲發射裝置。參量陣聲納在高壓下同時向媒介發射2個頻率相近的高頻聲波信號(f1，f2)作為主頻，聲波在介質中傳播時由于介質的非線性效應而形成差頻波，改變2個主頻頻率就可以控制差頻波的頻率，當換能器發射聲波作用于媒介體時，在換能器的發射方向會產生一系二次頻率，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，具有很強的沉積層穿透力，可以用來探測海底淺部地層結構，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。產生的差頻聲波信號強度比主頻聲波強度稍高，衰減較慢，傳播達到1個衍射單位長度時，聲強最大，然后逐漸衰減。差頻聲波信號與高頻時的波束角非常接近，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進行分類識別。

與常規的換能器相比，參量換能器除了具有上述優點之外，也有比較明顯的缺點：

(1)為了實現非線性聲學效應，要求原波的聲源級(SL)較高，當原波平均頻率為40 kHz時，通常要求原波的聲援級為238 dB。應當指出，如果換能器的發射功率太大，在水下應用時有可能出現空化現象。

(2)參量換能器的能量轉換效率較低，一般很難超過1％。

2.2 參量換能器的系統設計

(1)換能器設計

換能器結構的正確選擇，對于本參量換能器實驗驗證系統的設計是至關重要的。根據參量陣的發射原理，我們選擇圓形壓電陶瓷換能器來發射原波信號，并利用傳聲器進行回波接收。如圖1所示。壓電陶瓷換能器是當前水聲領域中廣泛使用的一類換能器，它具有電聲轉換效率高、靈敏度好、容易成形等特點。文獻[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，從而降低能量轉換效率；反之，如果原波頻率太低，則需要較大的換能器發射孔徑，才能獲得較好的聲波指向性。因此，在參量換能器的設計應折衷考慮上述兩個因素。在本實驗中，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，其尺寸規格為φ9.7 mm×6.7 mm。

(2)參量換能器系統設計