CN103826189A - 电子补偿式宽带发射换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子补偿式宽带发射换能器，用于解决现有的水声发射换能器在超宽带工作时发送响应级平坦度差的技术问题。技术方案是包括由后质量块（5）、定位环（6）、压电陶瓷片（7）、紧固螺杆（8）和前辐射头（9）组成的声学组件，和数字电路板（2）、电声阻抗匹配器（3）、功放电路板（12）和电源电路板（13）组成的电子组件。实现串行数据通讯、数模转换、信号功率放大和电声转换功能。采用数字技术对换能器输出响应进行电子补偿，使换能器在超宽频带内具有平坦的发送电压响应。测试结果表明：本发明工作带宽为10KHz到40KHz，带内发送电压起伏小于4dB，发射声源级的动态范围为90dB到160dB。

Description

电子补偿式宽带发射换能器

技术领域

本发明涉及一种宽带发射换能器，特别是涉及一种电子补偿式宽带发射换能器。

背景技术

水声发射换能器是水下声系统的重要组成。它把电信号转换为能够在水中良好传播的声信号，实现目标探测、水声通讯等功能。

参照图5。文献1“《压电换能器和换能器阵》北京大学出版社2005年第147页”公开了一种常规的复合棒换能器。该换能器由金属前盖板18、电极引线19、压电陶瓷片堆20、预应力螺杆21和金属后盖板23构成。金属前盖板18、压电陶瓷片堆20、金属后盖板23三者在端面处用胶粘合连接成整体，通过预应力螺杆21紧固，电极引线19为换能器电信号接入点。该换能器为单谐振峰窄带换能器，其发送电压响应级-3dB带宽不超过一个倍频程。

文献2“《双激励宽带换能器的有限元设计》[J]孙好广声学与电子工程2003.3p12-14”公开了一种宽带换能器。该换能器由前盖板、前晶堆、质量块、后晶堆、后盖板组成。与常规窄带换能器相比，该宽带换能器具有两个激励源，即前晶堆和后晶堆。两个晶堆同时工作，使换能器具有双谐振峰，从而拓宽工作带宽。该换能器在12KHz到27KHz频带内发送电压响应级起伏为8dB。

文献1和文献2所述水声发射换能器的结构为单纯机械结构，其主要技术问题为：有效工作带宽小，在超宽频带范围内发送电压响应不平坦；动态范围有限，必须外接功率放大器才能大功率工作；工作体制为模拟体制，使用时单独吊放于水下，通过长缆接收水上电子装置输出的模拟信号，线上损耗大，容易受到干扰，从而导致系统噪声高。

发明内容

为了克服现有的水声发射换能器在超宽带工作时发送响应级平坦度差的不足，本发明提供一种电子补偿式宽带发射换能器。该换能器集成声学组件与电子组件，实现串行数据通讯、数模转换、信号功率放大和电声转换功能。采用数字技术对换能器输出响应进行电子补偿，使换能器在超宽频带内具有平坦的发送电压响应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电子补偿式宽带发射换能器，其特点是包括金属壳体1、数字电路板2、电声阻抗匹配器3、电子组件紧固螺杆4、后质量块5、定位环6、压电陶瓷片7、紧固螺杆8、前辐射头9、密封硫化橡胶10、导热内壳11、功放电路板12、电源电路板13、密封端盖14和数据电缆15。金属壳体1是圆柱形，其中部及靠近底部处分别有与金属壳体1连为一体的卡环。后质量块5、定位环6、压电陶瓷片7、紧固螺杆8和前辐射头9共同组成声学组件。后质量块5是圆柱形，中心处轴向设计有与紧固螺杆8配合的螺纹孔。定位环6是圆柱形，中心处轴向设计有通孔，侧面有对称平面。压电陶瓷片7是圆柱形，中心处轴向设计有通孔。前辐射头9是圆柱形，底部设计有凸台，紧固螺杆8依次穿过若干压电陶瓷片7、定位环6，螺纹紧固于后质量块5上，前辐射头9底部的凸台卡在金属壳体1靠近底部处的卡环上，前辐射头9底部固连有密封硫化橡胶10。电源电路板13、数字电路板2、功放电路板12和电声阻抗匹配器3依次由左到右，由电子组件固定螺杆4顺序连接成一体，并固定于导热内壳11上。导热壳体11是圆柱形，其外径与金属壳体1的内径等大，导热壳体11位于金属壳体1后部，通过金属壳体1中部的卡环与声学组件隔开，金属壳体1后端采用密封端盖14径向密封，数据电缆15由密封端盖14引出。压电陶瓷片7的正负极分别引出信号线和地线，与电声阻抗匹配器3的信号线及地线连接。电声阻抗匹配器3、功放电路板12、数字电路板2、电源电路板13之间采用板间接插件连接传递电信号，功放电路板12通过数据电缆15与外部计算机连接进行数据通信。

所述金属壳体1的材料是不锈钢。

本发明的有益效果是：该换能器集成声学组件与电子组件，实现串行数据通讯、数模转换、信号功率放大和电声转换功能。采用数字技术对换能器输出响应进行电子补偿，使换能器在超宽频带内具有平坦的发送电压响应。测试结果表明：本发明工作带宽为10KHz到40KHz，带内发送电压起伏小于4dB，发射声源级的动态范围为90dB到160dB。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明电子补偿式宽带发射换能器的结构图。

图2是本发明电子补偿式宽带发射换能器的方框图。

图3是本发明电子补偿式宽带发射换能器软件模块框图。

图4是电子补偿前和电子补偿后换能器发送电压响应曲线。

图5是背景技术复合棒换能器的结构图。

图中，1-金属壳体，2-数字电路板，3-电声阻抗匹配器，4-电子组件紧固螺杆，5-后质量块，6-定位环，7-压电陶瓷片，8-紧固螺杆，9-前辐射头，10-密封硫化橡胶，11-导热内壳，12-功放电路板，13-电源电路板，14-密封端盖，15-数据电缆，16-电子补偿前换能器发送电压响应曲线，17-电子补偿后换能器发送电压响应曲线，18-金属前盖板，19-电极引线，20-压电陶瓷片堆，21-预应力螺杆，22-金属后盖板。

具体实施方式

本发明电子补偿式宽带发射换能器包括金属壳体1、数字电路板2、电声阻抗匹配器3、电子组件紧固螺杆4、后质量块5、定位环6、压电陶瓷片7、紧固螺杆8、前辐射头9、密封硫化橡胶10、导热内壳11、功放电路板12、电源电路板13、密封端盖14和数据电缆15。具体包括：

（1）声学组件。

根据工作频带、发送响应级技术要求设计声学组件。后质量块5，定位环6，压电陶瓷片7，紧固螺杆8，前辐射头9共同组成声学组件。采用有限元软件建立分析模型，加载激励和边界条件，对声学组件的发送电压响应进行仿真计算，确定各组成部分几何尺寸及材料。本发明中采用弯曲振动宽带换能器，适当设计前辐射头9厚度以得到弯曲振动模态，使换能器形成双谐振峰实现宽频带内工作。

各组成几何尺寸及材料设计如下：后质量块5为圆柱形，直径25.5mm，高14mm，中心处轴向攻φ6螺纹孔，材料为黄铜。定位环6为圆柱形，直径25.5mm，高10mm，中心处轴向开φ6.5通孔，侧面距离中心10mm位置切对称平面，材料为黄铜。紧固螺杆8长48mm，螺纹直径6mm，材料为45#钢。压电陶瓷片7数量为4，外径、内径、高分别为25.5mm、19.5mm、6mm，材料为压电陶瓷PZT-4。前辐射头9为圆柱形，直径为44mm，厚度6mm，底部设计有凸台，直径25.5mm，高3mm，材料为铝。

各组成组装过程如下：1）清洗：采用无水乙醇对后质量块5，定位环6，压电陶瓷片7，紧固螺杆8，前辐射头9进行浸泡和清洗。2）粘接：在各组成相互接触端面上均匀涂抹环氧树脂胶，紧固螺杆8加8N预应力将各组成紧固成一体。3）烘干：80°烘箱中放置8小时，待环氧树脂胶干透。

进行声学特性测量，确定其静态电容C₀、发送电压响应级SVL。

（2）电子组件。

电声阻抗匹配器3：根据声学组件静态电容C₀计算电声阻抗匹配器3电感量；根据声学组件发送电压响应级SVL和系统设计声源级确定初级和次级匝数比值。电声阻抗匹配器3设计完成后封装于圆柱形壳体中，壳体底面直径40mm，高30mm，材料选择具有屏蔽作用的黄铜。

电源电路板13：包含四个DC-DC电压转换器，把外界供给的27V直流电压转换为±30V、±15V及两组5V电压输出。±30V和±15V为功放电路板12用电电压，两组5V电压分别为数字电压5V和模拟电压5V，为数字电路板2用电电压。转换器型号为TRAPOWER公司的THL20-2423、TEL2-2423、TEL2-2411。电源输入输出端对地接容值为0.1μF去耦电容。

数字电路板2：由FPGA芯片及其外围电路、ADC电路组成，实现串行数据通信、FIR数字滤波，数模转换和控制信号输出功能。FPGA芯片为Xilinx公司的Spartant6-XC6SLX9-3TQG144C，其配置PROM型号为XCF16P，采用JTAG口实现程序加载和在线调试。ADC电路采用ADI公司的AD8760，实现数字信号到模拟信号的转换。

功放电路板12：包含信号衰减电路和功率放大电路，衰减电路采用两片ADI公司AD5543芯片实现两级衰减，衰减量由FPGA进行控制，动态范围为120dB。功率放大电路为甲类线性功放，采用意法半导体的THD7293芯片，外围具有增益控制及保护电路，最大输出功率为100W。

电源电路板13、数字电路板2、功放电路板12设计为圆形，板厚2mm，直径40mm，中心开直径5mm圆孔。

（3）软件设计。

采用Verilog硬件描述语言设计FPGA内部软件，共包括串行数据通信模块、FIR数字滤波模块、控制模块。数据通信模块采用标准串口通信接口，即数据有效标志CS、时钟信号CLK和串行数据SPI。数据接收后进行解码，信号数据发送到FIR滤波模块进行数字滤波，最后传输到AD模块实现数模转换。控制指令发送到控制模块，控制模块根据内容输出衰减控制码、功放增益控制码和DAC控制码，实现输出电信号衰减量控制、功放增益控制和数模转换的时序控制。

FIR滤波模块对数字信号进行补偿滤波，使电子补偿式宽带发射换能器在超宽带内具有平坦的发送电压响应。FIR滤波模块设计过程如下：

（a）在10KHz到40KHz内，步长0.5KHz精确测量声学组件发送电压响应级；

（b）采用MATLAB软件滤波器设计工具箱设计FIR滤波器，使其传输函数幅频曲线与声学组件发送电压响应互补，得到滤波器系数。

（c）对滤波器系数进行量化，生成系数文件后导入FPGA滤波器IP核中，设置相关接口；

（d）把IP核嵌套到系统软件中，实现FIR滤波器

（4）组装及连接.

后质量块5，定位环6，压电陶瓷片7，紧固螺杆8，前辐射头9粘接成一体，组成声学组件，安装于金属壳体1前面部分。功放电路板12、数字电路板2、电源电路板13与电声阻抗匹配器3通过电子组件固定螺杆4按顺序连接成一体，固定于导热内壳11上。导热壳体11粘接于金属壳体1后部。壳体前端前辐射头9采用厚度为2mm的聚氨酯透声橡胶硫化，实现密封防水和透声功能。后端采用密封端盖14径向密封，并在端盖上引出数据电缆15。

压电陶瓷片7的正负极上分别引出信号线和地线，与电声阻抗匹配器3的信号线及地线连接。电声阻抗匹配器3、电源电路板13、数字电路板2、功放电路板12件四者间采用板间接插件连接传递电信号，电源电路板12通过数据电缆15与外部计算机连接进行数据通信。

金属壳体1选用不锈钢材料，为圆柱形，外径50mm，长123mm，内径44mm，壳体内部在距离前端面8mm、60mm处分别切一圈凸台，用于安装声学组件和电子组件。凸台厚度分别为4mm，3mm，突出长度为4mm。导热内壳11为圆柱形，外径44mm，内径42mm，高50mm，上端开口。

本发明电子补偿式宽带换能器的工作原理如下：在上电后，电子补偿式宽带换能器接收陆上计算机串行传送的数字信号，获取发射信号、衰减控制码、功放增益控制码等数据。对于发射信号，数字电路板2首先对其进行FIR数字滤波实现发送电压响应平坦度补偿，滤波后的信号经过数模转换为模拟信号传送给功放电路板12。功放电路板12根据控制码对信号进行动态范围控制和功率放大，最后输入到声学组件，转换为声信号辐射到介质中。

Claims (2)

1.一种电子补偿式宽带发射换能器，其特征在于：包括金属壳体（1）、数字电路板（2）、电声阻抗匹配器（3）、电子组件紧固螺杆（4）、后质量块（5）、定位环（6）、压电陶瓷片（7）、紧固螺杆（8）、前辐射头（9）、密封硫化橡胶（10）、导热内壳（11）、功放电路板（12）、电源电路板（13）、密封端盖（14）和数据电缆（15）；金属壳体（1）是圆柱形，其中部及靠近底部处分别有与金属壳体（1）连为一体的卡环；后质量块（5）、定位环（6）、压电陶瓷片（7）、紧固螺杆（8）和前辐射头（9）共同组成声学组件；后质量块（5）是圆柱形，中心处轴向设计有与紧固螺杆（8）配合的螺纹孔；定位环（6）是圆柱形，中心处轴向设计有通孔，侧面有对称平面；压电陶瓷片（7）是圆柱形，中心处轴向设计有通孔；前辐射头（9）是圆柱形，底部设计有凸台，紧固螺杆（8）依次穿过若干压电陶瓷片（7）、定位环（6），螺纹紧固于后质量块（5）上，前辐射头（9）底部的凸台卡在金属壳体（1）靠近底部处的卡环上，前辐射头（9）底部固连有密封硫化橡胶（10）；电源电路板（13）、数字电路板（2）、功放电路板（12）和电声阻抗匹配器（3）依次由左到右，由电子组件固定螺杆（4）顺序连接成一体，并固定于导热内壳（11）上；导热壳体（11）是圆柱形，其外径与金属壳体（1）的内径等大，导热壳体（11）位于金属壳体（1）后部，通过金属壳体（1）中部的卡环与声学组件隔开，金属壳体（1）后端采用密封端盖（14）径向密封，数据电缆（15）由密封端盖（14）引出；压电陶瓷片（7）的正负极分别引出信号线和地线，与电声阻抗匹配器（3）的信号线及地线连接；电声阻抗匹配器（3）、功放电路板（12）、数字电路板（2）、电源电路板（13）之间采用板间接插件连接传递电信号，功放电路板（12）通过数据电缆（15）与外部计算机连接进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的电子补偿式宽带发射换能器，其特征在于：所述金属壳体（1）的材料是不锈钢。

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