引 言
聲學(xué)參量陣(Parametric Acoustic Array)是利用介質(zhì)的非線性特性,，使用兩個(gè)沿同一方向傳播的高頻初始波在遠(yuǎn)場(chǎng)中獲得差頻、和頻及倍頻等的聲發(fā)射裝置,。根據(jù)介質(zhì)中聲吸收原理,，吸收與信號(hào)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(hào)衰減很快,，經(jīng)過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號(hào),。與常規(guī)換能器相比,，首先，該差頻信號(hào)具有更好的指向性,；其次,，該差頻信號(hào)幾乎沒有旁瓣，避免了在淺海沉底或沉積物探測(cè)過程中由于邊界不均勻所帶來的干擾和信號(hào)處理的復(fù)雜性,；第三,，差頻信號(hào)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(hào)處理增益等。
基于上述優(yōu)點(diǎn),，參量陣在水下探測(cè),、水下通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如,，在國(guó)外,，德國(guó)INN0-MAR公司生產(chǎn)的SES-96和SES-2000系列參量陣測(cè)深／淺底層剖面儀,，目前廣泛應(yīng)用于淺海水下探測(cè)，其中SES-96低頻的束角為±1．8°,，穿透深度最大達(dá)50 m,；在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院東海研究站研制成功的參量陣“堤防隱患監(jiān)測(cè)聲納”,，可以對(duì)江河湖底和海底沉積層進(jìn)行探測(cè)識(shí)別或?qū)Φ谭罁p毀程度進(jìn)行探測(cè)評(píng)估,。另外，美國(guó)技術(shù)公司開發(fā)的參量揚(yáng)聲器專利產(chǎn)品——極超音速揚(yáng)聲器系統(tǒng)(Hypersonic Sound System,，HSS),，實(shí)現(xiàn)了聲音在空氣中的定向傳播。
但是,，目前參量陣技術(shù)并不成熟,，沒有形成統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范。本文旨在對(duì)聲參量陣在空氣中的應(yīng)用做一些初步的探索和研究,，為聲參量陣技術(shù)應(yīng)用于水聲探測(cè)做準(zhǔn)備,。
1 聲參量陣?yán)碚摷皳Q能器陣設(shè)計(jì)
1．1 聲參量陣?yán)碚?br />
假設(shè)兩個(gè)高頻初始聲波信號(hào)的頻率分別為ω1和ω2(不妨設(shè)ω1>ω2)，信號(hào)在傳播中由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)而形成差頻信號(hào)(ω1-ω2),、和頻信號(hào)(ω1+ω2),、倍頻信號(hào)(2ω1和2ω2)以及原信號(hào)(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(hào)ω1和ω2可以做得很接近,，差頻信號(hào)(ω1-ω2)的頻率很低，該差頻信號(hào)具有很強(qiáng)的沉積層穿透力,，可以用來探測(cè)海底淺部底層結(jié)構(gòu),，而反射的主頻信號(hào)則可以用于精確的水深測(cè)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(fā)射器的體積,，而且還可探測(cè)較小物體。產(chǎn)生的差頻信號(hào)強(qiáng)度較原波稍高,，衰減較慢,，并與高頻時(shí)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(shí)可控的差頻聲波信號(hào)可以承載更多的沉積層信息，以便對(duì)埋入沉積層的目標(biāo)進(jìn)行分類識(shí)別,。
1．2 換能器陣設(shè)計(jì)
此處的換能器指的是電聲換能器,，即用來實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間能量相互轉(zhuǎn)換的器件。由于單個(gè)換能器的指向性不好(甚至沒有指向性),，而且單個(gè)換能器的發(fā)射功率也不大,。因此考慮使用基陣的方法，即由若干個(gè)換能器按一定規(guī)律排成陣列,。這樣不但提高了發(fā)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(duì)目標(biāo)的定位、定向和測(cè)速都有很大的改善,。同時(shí)隨著發(fā)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(tǒng)的作用距離有所增加,，對(duì)單個(gè)換能器的指向性等要求也有所降低,，實(shí)現(xiàn)起來更加容易。
設(shè)計(jì)換能器陣時(shí),，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(tǒng)采用9個(gè)圓形壓電陶瓷換能器組成3×3矩形基陣的形式來發(fā)射超聲信號(hào)，并利用4個(gè)傳聲器來進(jìn)行回波的接收,。如圖1所示,，其中1，3,，7及9號(hào)換能器構(gòu)成一個(gè)通道,，其余5個(gè)換能器構(gòu)成另一個(gè)通道。
1．3 參量陣的發(fā)射方式
參量陣的發(fā)射方式分為兩種,，單通道發(fā)射方式和雙通道發(fā)射方式,。其中，單通道發(fā)射方式是指兩個(gè)原波頻率信號(hào),，經(jīng)過線性相加以及功率放大后,，同時(shí)激勵(lì)換能器陣中的所有陣元；而雙通道發(fā)射方式是指兩個(gè)原波信號(hào)經(jīng)過功率放大后,，各自通過換能器陣中的某個(gè)通道來激勵(lì)相對(duì)應(yīng)的陣元,。
相比較,，單通道發(fā)射方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn),，但大功率輸出較困難,；而雙通道發(fā)射時(shí)，其輸出功率較大,，但換能器陣元組合比較復(fù)雜,。本系統(tǒng)中9個(gè)圓形壓電陶瓷換能器組成的3×3矩形基陣采用單通道發(fā)射方式，即載波調(diào)制信號(hào)同時(shí)接入換能器陣的兩個(gè)通道,。
2 聲參量陣測(cè)試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示,，主要包括PC機(jī)(LabVIEW信號(hào)處理平臺(tái))、功率放大電路,、換能器發(fā)射及接收陣,、信號(hào)接收電路及數(shù)據(jù)采集卡等結(jié)構(gòu)。其中,，PC機(jī)主要是通過LabVIEW軟件完成對(duì)初始信號(hào)和高頻載波的產(chǎn)生,、信號(hào)失真預(yù)處理和接收信號(hào)的后續(xù)處理(包括信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、頻譜分析等),；換能器發(fā)射和接收陣分別實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制信號(hào)的發(fā)射和回波信號(hào)的接收,；功率放大電路用來提高載波調(diào)制信號(hào)的發(fā)射功率；而信號(hào)接收電路則是對(duì)傳聲器接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理,，包括前端放大,、帶通濾波及末級(jí)放大等幾個(gè)處理環(huán)節(jié)。
2．1 信號(hào)處理
信號(hào)處理是本系統(tǒng)中關(guān)鍵部分之一,，主要完成輸入信號(hào)的失真預(yù)處理和超聲載波的振幅調(diào)制,。信號(hào)處理部分的基本理論是。Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解決方案,。
2．1．1 失真預(yù)處理
失真預(yù)處理的目的是增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度,，減少失真，增強(qiáng)低頻等,。1965年,， Berktay使用調(diào)制中包絡(luò)的概念為參量陣提出了一個(gè)更精確完整的解釋，認(rèn)為最終的解調(diào)信號(hào)將由這個(gè)包絡(luò)決定,，即參量陣解調(diào)后的信號(hào)P2(t)與包絡(luò)E (t)平方對(duì)時(shí)間的兩次微分成正比,。根據(jù)Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解決方案，現(xiàn)有的預(yù)處理方法主要有三種：
第一種也是最初的預(yù)處理方法,，假設(shè)包絡(luò)為E(t)=1+mg(t),，其中m為調(diào)制因數(shù)，g(t)為音頻信號(hào),。則有：
根據(jù)式(1)可以看到：在非線性作用下,，信號(hào)的自解調(diào)能夠?qū)⒄扔诎j(luò)信號(hào)E(t)的調(diào)制信號(hào)Ps(t)解調(diào)出來；但自解調(diào)過程中會(huì)伴隨二次諧波失真信號(hào)Pd(t)的產(chǎn)生,。
細(xì)觀式(1)可得,，失真信號(hào)Pd(t)與m2成正比，即減小m就可以減少失真,，但解調(diào)出來的信號(hào)Ps(t)也隨之減小,，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低。因此就有了第二種預(yù)處理方法,，對(duì)包絡(luò)先積分兩次,，然后再開方，即：
很顯然,，單邊帶預(yù)處理方法對(duì)應(yīng)產(chǎn)生純音頻信號(hào)時(shí)沒有失真,，即沒有其他頻率成分產(chǎn)生。
2．1．2 載波調(diào)制
載波調(diào)制的作用是將預(yù)處理過的信號(hào)與超聲載波信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)制,，生成超聲載波調(diào)制信號(hào),。載波調(diào)制可分為雙邊帶(Double Sideband，DSB)調(diào)制和單邊帶(Single Sideband,，SSB)調(diào)制等,。在DSB調(diào)制中，輸出信號(hào)的頻譜由位于載頻左右兩側(cè)的上下邊帶組成,，而且信號(hào)的上,、下邊帶攜帶的調(diào)制信號(hào)信息完全一樣；SSB調(diào)制就是選擇DSB調(diào)制中一個(gè)邊帶進(jìn)行傳輸,，從而節(jié)省一半的發(fā)射功率,。假設(shè)載波頻率為85 kHz，音頻信號(hào)頻率為5 kHz,，則DSB和SSB調(diào)制示意圖如圖3所示,。
輸入信號(hào)通過運(yùn)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(bǔ)對(duì)稱式放大器，提升運(yùn)放PA85的輸出電流,。另外,，二極管D1和D2構(gòu)成的保護(hù)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(fā)射極的反向擊穿電壓，而且還能起到限制輸入瞬時(shí)電流的作用,。
2．3 信號(hào)接收電路設(shè)計(jì)
信號(hào)接收電路主要包括前端放大電路,、帶通濾波電路和末級(jí)放大電路，并為換能器接收陣中的四個(gè)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(yōu)點(diǎn)的LM324集成運(yùn)放,。該電路實(shí)現(xiàn)四路回波接收信號(hào)的相加及其放大功能,。帶通濾波器由高阻抗運(yùn)算放大器 (TL082)和RC阻容元件構(gòu)成，不但起到帶通濾波器的作用,，而且具有放大的功能,。末級(jí)放大電路采用典型的反相放大電路的結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)節(jié)電位器來改變電路的增益,，使接收電路的輸出幅值滿足數(shù)據(jù)采集卡的輸入要求,。
3 系統(tǒng)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)
基于LabVIEW開發(fā)工具的軟件系統(tǒng)的前面板如圖6所示，可以即時(shí)顯示輸入信號(hào),、SSB輸出信號(hào)以及接收回來的信號(hào),，并保存數(shù)據(jù)供進(jìn)一步信號(hào)處理，如頻譜分析等,。
程序設(shè)計(jì)中需要注意的是：
由于信號(hào)發(fā)射后,，碰到障礙物將反射回來，因此每次發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間不能太長(zhǎng),，否則接收的信號(hào)與發(fā)射的信號(hào)會(huì)發(fā)生混疊,，相互干擾，具體持續(xù)時(shí)間可根據(jù)換能器發(fā)射陣與障礙物之間的距離來確定,；
實(shí)驗(yàn)過程中,，發(fā)射的超聲的功率比較大，實(shí)驗(yàn)過程不能持續(xù)太長(zhǎng),，否則對(duì)人身體產(chǎn)生影響,，因此每次接收回來的數(shù)據(jù)最好以文件的形式保存下來，供后續(xù)處理,，如頻譜分析等,。
4 結(jié) 語
設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以LabVIEW軟件為平臺(tái)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,，系統(tǒng)電路得到大大簡(jiǎn)化,，而且輸入及載波信號(hào)可調(diào)，提高了系統(tǒng)的使用效能,，更能全面地對(duì)聲學(xué)參量陣進(jìn)行測(cè)試,。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)輸入信號(hào)為5 kHz、載波頻率為85 kHz時(shí),，在障礙物處能夠聽到聲響,，系統(tǒng)也接收到回波信號(hào)。也就是說,，系統(tǒng)發(fā)射的載波調(diào)制信號(hào)能夠在空氣中自解調(diào),，形成差頻信號(hào),，而且系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的接收,，從而證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。
但是該系統(tǒng)還是存在參量換能器的轉(zhuǎn)換效率低,，系統(tǒng)作用距離不長(zhǎng)等弊病,。因此下一步將從參量陣基本理論下手，通過優(yōu)化電路,，改進(jìn)換能器陣及信號(hào)失真預(yù)處理算法等手段,，探索提高轉(zhuǎn)換效率、增大系統(tǒng)的作用距離等的有效方法,，使其能更好地應(yīng)用于水聲探測(cè)等領(lǐng)域,。