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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*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。 1．3 參量陣的發射方式 參量陣的發射方式分為兩種，單通道發射方式和雙通道發射方式。其中，單通道發射方式是指兩個原波頻率信號，經過線性相加以及功率放大后，同時激勵換能器陣中的所有陣元；而雙通道發射方式是指兩個原波信號經過功率放大后，各自通過換能器陣中的某個通道來激勵相對應的陣元。 相比較，單通道發射方式結構比較簡單，容易實現，但大功率輸出較困難；而雙通道發射時，其輸出功率較大，但換能器陣元組合比較復雜。本系統中9個圓形壓電陶瓷換能器組成的3×3矩形基陣采用單通道發射方式，即載波調制信號同時接入換能器陣的兩個通道。 2 聲參量陣測試系統的組成結構設計 本文設計的系統結構原理框圖如圖2所示，主要包括PC機(LabVIEW信號處理平臺)、功率放大電路、換能器發射及接收陣、信號接收電路及數據采集卡等結構。其中，PC機主要是通過LabVIEW軟件完成對初始信號和高頻載波的產生、信號失真預處理和接收信號的后續處理(包括信號的實時顯示、頻譜分析等)；換能器發射和接收陣分別實現載波調制信號的發射和回波信號的接收；功率放大電路用來提高載波調制信號的發射功率；而信號接收電路則是對傳聲器接收到的回波信號進行處理，包括前端放大、帶通濾波及末級放大等幾個處理環節。 2．1 信號處理 信號處理是本系統中關鍵部分之一，主要完成輸入信號的失真預處理和超聲載波的振幅調制。信號處理部分的基本理論是。Berktay遠場解決方案。 2．1．1 失真預處理 失真預處理的目的是增強信號的強度，減少失真，增強低頻等。1965年， Berktay使用調制中包絡的概念為參量陣提出了一個更精確完整的解釋，認為最終的解調信號將由這個包絡決定，即參量陣解調后的信號P2(t)與包絡E (t)平方對時間的兩次微分成正比。根據Berktay遠場解決方案，現有的預處理方法主要有三種： 第一種也是最初的預處理方法，假設包絡為E(t)=1+mg(t)，其中m為調制因數，g(t)為音頻信號。則有： 根據式(1)可以看到：在非線性作用下，信號的自解調能夠將正比于包絡信號E(t)的調制信號Ps(t)解調出來；但自解調過程中會伴隨二次諧波失真信號Pd(t)的產生。 細觀式(1)可得，失真信號Pd(t)與m2成正比，即減小m就可以減少失真，但解調出來的信號Ps(t)也隨之減小，導致轉換效率降低。因此就有了第二種預處理方法，對包絡先積分兩次，然后再開方，即： 很顯然，單邊帶預處理方法對應產生純音頻信號時沒有失真，即沒有其他頻率成分產生。 2．1．2 載波調制 載波調制的作用是將預處理過的信號與超聲載波信號進行振幅調制，生成超聲載波調制信號。載波調制可分為雙邊帶(Double Sideband，DSB)調制和單邊帶(Single Sideband，SSB)調制等。在DSB調制中，輸出信號的頻譜由位于載頻左右兩側的上下邊帶組成，而且信號的上、下邊帶攜帶的調制信號信息完全一樣；SSB調制就是選擇DSB調制中一個邊帶進行傳輸，從而節省一半的發射功率。假設載波頻率為85 kHz，音頻信號頻率為5 kHz，則DSB和SSB調制示意圖如圖3所示。 輸入信號通過運放PA85后，功率得到提高，但輸出的電流較小。為了得到較高的輸出電流，在PA85的輸出端接人由Q1，Q2，Q3和Q4組成的互補對稱式放大器，提升運放PA85的輸出電流。另外，二極管D1和D2構成的保護電路，不但能限制PA85輸入差分電壓低于輸入晶體管基極一發射極的反向擊穿電壓，而且還能起到限制輸入瞬時電流的作用。 2．3 信號接收電路設計 信號接收電路主要包括前端放大電路、帶通濾波電路和末級放大電路，并為換能器接收陣中的四個傳聲器提供電源，如圖5所示。 前端放大電路采用低功耗、高增益和高可靠性等優點的LM324集成運放。該電路實現四路回波接收信號的相加及其放大功能。帶通濾波器由高阻抗運算放大器 (TL082)和RC阻容元件構成，不但起到帶通濾波器的作用，而且具有放大的功能。末級放大電路采用典型的反相放大電路的結構，并通過調節電位器來改變電路的增益，使接收電路的輸出幅值滿足數據采集卡的輸入要求。 3 系統LabVIEW軟件設計 基于LabVIEW開發工具的軟件系統的前面板如圖6所示，可以即時顯示輸入信號、SSB輸出信號以及接收回來的信號，并保存數據供進一步信號處理，如頻譜分析等。 程序設計中需要注意的是： 由于信號發射后，碰到障礙物將反射回來，因此每次發射信號的持續時間不能太長，否則接收的信號與發射的信號會發生混疊，相互干擾，具體持續時間可根據換能器發射陣與障礙物之間的距離來確定； 實驗過程中，發射的超聲的功率比較大，實驗過程不能持續太長，否則對人身體產生影響，因此每次接收回來的數據最好以文件的形式保存下來，供后續處理，如頻譜分析等。 4 結 語 設計的系統以LabVIEW軟件為平臺，與傳統系統相比，系統電路得到大大簡化，而且輸入及載波信號可調，提高了系統的使用效能，更能全面地對聲學參量陣進行測試。實驗過程中，當輸入信號為5 kHz、載波頻率為85 kHz時，在障礙物處能夠聽到聲響，系統也接收到回波信號。也就是說，系統發射的載波調制信號能夠在空氣中自解調，形成差頻信號，而且系統還能實現回波信號的接收，從而證明該系統設計是可行的。 但是該系統還是存在參量換能器的轉換效率低，系統作用距離不長等弊病。因此下一步將從參量陣基本理論下手，通過優化電路，改進換能器陣及信號失真預處理算法等手段，探索提高轉換效率、增大系統的作用距離等的有效方法，使其能更好地應用于水聲探測等領域。 |
