基于LabVIEW的參量陣測試系統設計

引 言
聲學參量陣(Parametric Acoustic Array)是利用介質的非線性特性，使用兩個沿同一方向傳播的高頻初始波在遠場中獲得差頻、和頻及倍頻等的聲發射裝置。根據介質中聲吸收原理，吸收與信號頻率的平方成正比，在聲波的傳播過程中，和頻及倍頻等頻率較高的信號衰減很快，經過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號。與常規換能器相比，首先，該差頻信號具有更好的指向性；其次，該差頻信號幾乎沒有旁瓣，避免了在淺海沉底或沉積物探測過程中由于邊界不均勻所帶來的干擾和信號處理的復雜性；第三，差頻信號具有大于10 kHz的帶寬，空間分辨率高，抗混響，并能獲得較高的信號處理增益等。
基于上述優點，參量陣在水下探測、水下通信等領域具有廣泛的應用前景。例如，在國外，德國INN0-MAR公司生產的SES-96和SES-2000系列參量陣測深／淺底層剖面儀，目前廣泛應用于淺海水下探測，其中SES-96低頻的束角為±1．8°，穿透深度最大達50 m；在國內，中國科學院東海研究站研制成功的參量陣“堤防隱患監測聲納”，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。另外，美國技術公司開發的參量揚聲器專利產品――極超音速揚聲器系統(Hypersonic Sound System，HSS)，實現了聲音在空氣中的定向傳播。
但是，目前參量陣技術并不成熟，沒有形成統一的國際標準或行業規范。本文旨在對聲參量陣在空氣中的應用做一些初步的探索和研究，為聲參量陣技術應用于水聲探測做準備。

1 聲參量陣理論及換能器陣設計
1．1 聲參量陣理論
假設兩個高頻初始聲波信號的頻率分別為ω1和ω2(不妨設ω1>ω2)，信號在傳播中由于介質的非線性效應而形成差頻信號(ω1-ω2)、和頻信號(ω1+ω2)、倍頻信號(2ω1和2ω2)以及原信號(ω1和ω2)，可表述如下：

式中：ei(i=1，2，…，6)為無量綱參量。
由于高頻初始聲波信號ω1和ω2可以做得很接近，差頻信號(ω1-ω2)的頻率很低，該差頻信號具有很強的沉積層穿透力，可以用來探測海底淺部底層結構，而反射的主頻信號則可以用于精確的水深測量。另外，原波頻率較高，換能器可做得很小，這不但可以減小發射器的體積，而且還可探測較小物體。產生的差頻信號強度較原波稍高，衰減較慢，并與高頻時的波束角非常接近，且沒有旁瓣，因此其波束指向性好，具有較高的分辨率。同時可控的差頻聲波信號可以承載更多的沉積層信息，以便對埋入沉積層的目標進行分類識別。
1．2 換能器陣設計
此處的換能器指的是電聲換能器，即用來實現電能和聲能之間能量相互轉換的器件。由于單個換能器的指向性不好(甚至沒有指向性)，而且單個換能器的發射功率也不大。因此考慮使用基陣的方法，即由若干個換能器按一定規律排成陣列。這樣不但提高了發射功率，而且通過基陣形成的波束，其方向性的旁瓣得到降低，指向性得到了很大的提高，從而對目標的定位、定向和測速都有很大的改善。同時隨著發射功率的增大，空間處理增益和接收陣輸入端的信噪比得到提高，并且系統的作用距離有所增加，對單個換能器的指向性等要求也有所降低，實現起來更加容易。
設計換能器陣時，可以采用多種排列組合方式，如矩形陣、六邊形陣、圓形陣等。本系統采用9個圓形壓電陶瓷換能器組成3×3矩形基陣的形式來發射超聲信號，并利用4個傳聲器來進行回波的接收。如圖1所示，其中1，3，7及9號換能器構成一個通道，其余5個換能器構成另一個通道。