水声宽带换能器匹配技术研究

低频宽带大功率换能器是现代水声发展的一项关键技术。换能器与功放匹配是宽带大功率水声发射的关键技术之一,本文对一种宽带大功率匹配匹配网络进行了设计分析,通过该匹配网络可改善宽带匹配效果,同时拓宽工作频带。文中还给出了一台功放驱动两只宽带换能器的匹配网络。     

宽频带换能器电匹配网络设计方法

宽带大功率换能器是现代水声发展的一个重要方向,换能器与功放间的匹配也是其关键技术之一。文中从换能器负载阻抗复角与功放管耗散功率及电源供电效率的关系入手,结合窄带阵元串联或并联调谐方法的特点,确定了适合宽带阵元电匹配网络的电路形式。并针对研制的宽带换能器进行了大功率发射试验,取得了较为满意的结果。     

一种高频宽带大尺寸的圆柱换能器的设计方法

介绍了一种新的圆柱换能器的设计方法。该高频宽带大尺寸的圆柱换能器采用压电陶瓷颗粒拼接而成,在外层添加一层匹配层,通过对匹配层材料及厚度的选择来提高与水的匹配性能,实现宽带能量传输。     

超声换能器灵敏度标定的一种新方法-激光超声法

本提出一种利用脉冲激光产生可重复的宽带标准声源,对超声换能器的速度灵敏度进行标定的新方法－激光超声法。简述了激光脉冲产生声脉冲的原理,给出了换能器速度灵敏度的表示方法及标一原理。建立了整套标定装置,并给出了换能器的标定结果。结果表明,该方法可较好地标换能器的速度灵敏度。     

宽带水声参量阵指向性设计与实验验证

利用宽带水声参量阵可产生高指向性宽带低频声束,推导了宽带水声参量阵生成低频声束的自解调理论模型,对其换能器指向性进行了分析与设计,并研制出了宽带水声参量阵样机。测试结果表明：该样机产成的2 kHz声束的-3 dB指向性锐角约为2.6°,具有很好的指向性,且旁瓣抑制效果好,能够产生无旁瓣的高指向性低频声束。这为解决浅海水声通信的多途干扰、远程水声保密通信等问题提供了一条新思路。     

高频宽带圆管换能器研究

压电圆管换能器是水声领域中广泛应用的换能器之一,它一般采用压电圆管的径向振动模态。利用压电圆管的径向振动模态和高阶振动模态来实现圆管的宽带发射性能。采用有限元方法对圆管换能器进行了分析,利用ANSYS软件建立圆管换能器的有限元模型,并对其进行结构优化。最终所制作换能器的径向谐振频率为47.5kHz,其工作带宽为40~80kHz,发送电压响应起伏不超过±4dB,最大发送电压响应为150dB。研究结果表明：所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,换能器实现了高频、宽带、水平无指向性的发射性能。     

基于零阶算法的矩形面宽带纵振换能器设计

传统换能器的优化一般采用试算修改的方式进行,这样的方式在待优化参数较多时不仅比较繁琐而且有可能会漏掉各参数组合下较好的设计点,对此提出了利用零阶算法进行换能器多参数联合优化设计的方法。建立了一种带宽评价函数,通过该评价函数和零阶算法尝试了对矩形面纵振换能器带宽的优化设计。经有限元仿真和样机测试表明,两款换能器的性能达到了预期指标要求,实现了宽带工作。得到的两款宽带换能器性能为:1#换能器工作频带为10~21.5 kHz,带内起伏约3 dB,发射电压响应大于134 dB;2#换能器工作频带为7.5~31.5 kHz,带内起伏约6 dB,发射电压响应大于131 dB。该方法可以作为换能器设计的一种新方式。     

一种带障板宽波束宽带纵振动换能器

介绍了一种带障板宽波束宽带纵振动换能器。通过将纵振动换能器的纵振动模态和前盖板弯曲振动模态有效耦合来达到拓宽换能器工作频带的目的;并提出利用反声障板边界结构大幅度增大发射波束宽度的方法。利用有限元软件分析了其在水中的特性。分析结果表明,通过纵弯模态耦合方式可有效拓宽换能器的频带宽度;通过障板在纵振动换能器中的应用可有效调节纵振动换能器的波束特性,从而实现宽波束的目的。实际制作该换能器并测试了其在不同情况下的性能,测试结果表明:有限元分析结果跟实验测量结果吻合。在9.5~18 kHz的频率范围内实现了发送电压响应起伏不超过3 dB的宽带工作;在11、12、13、14 kHz,实现了120°~160°的宽波束。     

短轴方向密排Ⅳ型弯张换能器阵列互辐射现象研究

为了实现小尺寸空间内换能器阵性能的提升,对Ⅳ型弯张换能器短轴方向密排布阵的形式进行了有限元分析,发现由于受到互辐射的影响,发送响应曲线会出现两个谐振峰。针对该双峰耦合现象进行分析,提出优化设计方案,并通过实际检测验证了该现象。该现象为低频换能器宽带设计提供了一种较为理想的方法和思路。根据不同项目需求,可利用同样的换能器灵活组合出不同带宽、源级性能的换能器阵,满足多方面的要求。     

一种小尺寸低频宽带声源换能器的设计

0引言在水声探测技术领域,信号处理技术的迅速发展要求从声学传感器获取更多的信息,这就需要水声换能器在工作频率附近有尽可能宽的带宽。同时,国内用于浅海的低频宽带声源发射器非常匮乏,高校及科研单位对小尺寸低频宽带声源有一定的需求。本文以新型压电弯曲圆盘换能器为基础[1,2,3]设计的小尺寸低频带宽换能器,可作为便携式声源     

一种深水宽带换能器

深海潜水器是支撑探查和开发深海资源、开展深海科学研究、进行深海工程作业的重要装备,作为深海潜水器上的重要部件,可在超深水工作的声学换能器具有广泛的应用前景。介绍了一种深水宽带换能器的设计方法,采用纵弯换能器,该型换能器利用纵向振动和前盖板弯曲振动相互耦合,具有宽带工作的特点;换能器封装在带有压力平衡装置的耐压外壳中,耐压外壳采用钛合金材料,外壳及换能器内部充有硅油。实际测试表明,换能器最大工作深度可达7000 m,最大声源级大于195 dB,工作频段7~15 kHz,覆盖了深海探测领域常用的频段,具有良好的适应性和广泛的应用前景。     

A parallel-architecture parametric equalizer for air-coupled capacitive ultrasonic transducers

Parametric equalization is rarely applied to ultrasonic transducer systems, for which it could be used on either the transmitter or the receiver to achieve a desired response. An optimized equalizer with both bump and cut capabilities would be advantageous for ultrasonic systems in applications in which variations in the transducer performance or the properties of the propagating medium produce a less-than-desirable signal. Compensation for non-ideal transducer response could be achieved using equalization on a device-by-device basis. Additionally, calibration of ultrasonic systems in the field could be obtained by offline optimization of equalization coefficients. In this work, a parametric equalizer for ultrasonic applications has been developed using multiple bi-quadratic filter elements arranged in a novel parallel arrangement to increase the flexibility of the equalization. The equalizer was implemented on a programmable system-on-chip (PSOC) using a small number of parallel 4th-order infinite impulse response switchedcapacitor band-pass filters. Because of the interdependency of the required coefficients for the switched capacitors, particle swarm optimization (PSO) was used to determine the optimum values. The response of a through-transmission system using air-coupled capacitive ultrasonic transducers was then equalized to idealized Hamming function or brick-wall frequencydomain responses. In each case, there was excellent agreement between the equalized signals and the theoretical model, and the fidelity of the time-domain response was maintained. The bandwidth and center frequency response of the system were significantly improved. It was also shown that the equalizer could be used on either the transmitter or the receiver, and the system could compensate for the effects of transmitterreceiver misalignment.     

基于人耳听觉特性的房间冲激响应多点均衡

在以扬声器-房间系统为代表的音频重放系统中,整个房间的声学特性会受到扬声器的系统响应、房间反射等影响而产生失真。房间冲激响应的失真会影响声音信号的音质,进而降低听者的听音感受,因此必须对房间冲激响应进行均衡。考虑到人耳听觉具有主观性和单点均衡存在的均衡有效区域局限性等问题,提出了基于人耳听觉特性的房间冲激响应多点均衡算法。通过在传统均衡滤波器设计中加入适当响度滤波器,使代价函数由声压转变为响度,实现均衡结果由数学最佳转为听觉最佳。利用在不同位置的房间冲激响应数据进行均衡滤波器的设计,实现从单点均衡到多点均衡的优化,扩大均衡有效区域。     

高频宽带换能器多匹配层研究

在水声应用中,高频换能器往往需要较宽的工作带宽,以获得更多的目标信息。文章首先建立了等效电路模型,利用粒子群算法对匹配层材料和厚度进行初步选定,使得换能器具有最宽的工作频带;其次,通过有限元方法对匹配层换能器的导纳和发射电压响应进行分析计算;最后,在理论分析的基础上成功制得三匹配层高频宽带换能器,其工作频段约为150～430 kHz,相对带宽为93%,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明,三匹配层设计方案可以有效拓宽高频换能器的工作频段。     

Preparation and Properties of 1-3 Piezoelectric Composite Transducers

This study demonstrated the preparation of 1-3 piezoelectric composite transducers by using 1-3 piezoelectric composites as the active phases, air as the backing layer and polyurethane as the matching layer. The composite electrode was produced by electroless nickel coating and the effect of the matching layer on transducer performance was investigated in detail. The results showed that the matching layer could improve the receiving sensitivity of the transducer significantly. The receiving response value of the transducer at first increased and then decreased with the increase of the matching layer thickness. This receiving response had the largest head-wave amplitude value when the thickness of the matching layer was about 2.2 mm, which was in good agreement with the theoretical value. The resonance frequency of the transducer in water showed a tendency of low frequencies, and the bandwidth of the transducer in water became much wider than that in air. The reasonable matching layer could improve performance of the transducer effectively.     

控制城市轨道高架桥梁结构噪声的试验研究

城市轨道高架桥梁产生的噪声对周围环境的影响十分明显,日益受到人们的关注。过车时轨道高架桥梁振动辐射产生的结构噪声具有频率低,辐射面积大,传播距离远的特性,治理难度很大。本文对广州地铁4号线高架桥振动噪声进行了测试与分析,研制了调谐质量阻尼器对轨道高架桥梁的结构噪声进行控制。测试结果表明, 桥梁安装TMD后桥下1.5米测点在80Hz控制频带降低9.3-12.4dBA,10次过车降噪效果平均值为2.1dBA。     

传输线变压器的机理及宽带阻抗匹配的设计

传输线变压器具有频带宽、易于制作的特点，在通信领域得到了广泛的应用。但在超声换能器与超声信号源之间采用传输线变压器实现阻抗匹配的报道较少。文章对传输线变压器实现宽带阻抗匹配的机理进行了详细的分析，通过一个简单的等效电路阐明了传输线变压器如何巧妙地利用传输线间的分布电容，使其由影响高频能量传输的不利因素而转换为电磁能量转换必不可少的条件，从而达到宽频带传输的目的。以500kHz-2MHz范围内的超声换能器的阻抗匹配变压器的设计为例，具体给出了确定传输线变压器特性阻抗、线长、磁心、导线型号和匝数的方法。     

超声波流量计换能器系统理论分析及应用

为了使超声波流量计能够获得最佳的超声波信号,从理论上分析了超声波流量计的换能器系统,在此基础上提出了用收发电压灵敏度参数来表征换能器系统的综合发射和接收性能。采用等效网络理论,计算了超声波压电换能器的发射特性和接收特性,同时给出了收发电压灵敏度的表达式以及在流量计工作频率下换能器的最优设计准则。应用该准则设计并制作了适用于热量表的超声波换能器。实验结果表明:采用该设计理论研制的换能器系统可以使热量表在工作频率上获得最优的超声波信号,同时也证明了采用该理论设计的超声波流量计换能器系统的有效性。     

Modeling of received signals from annular array ultrasound transducers due to extended reflectors

This paper describes a computationally efficient numerical technique for calculating the received signal from a broadband annular array transducer operating in pulse-echo mode, due to a specified reflector. The technique is referred to as the Diffraction Response from Extended Area Method (DREAM) and operates by tessellating the reflector into planar tiles with a dimension of several wavelengths (at the highest frequency of interest) and finding the contribution from a given tile by a temporal low-pass filtering rather than spatial integration. In particular, this paper formulates the theory for the DREAM for tessellation into triangular tiles and demonstrates the improved performance with triangular tiles relative to square tiles. This paper also analyzes the mean square error of the received signal as a function of the diameters of the transmitting and the receiving transducers and the radial position and orientation of the tile. Based on this, a set of rules for the optimal tile size is developed. The power of the modeling technique is demonstrated by calculating the received signal from an annular array transducer due to three given extended reflectors in which the effect of the focal point location on the received signal is readily demonstrated.     

不同环境下瓶鼻海豚click信号及仿真分析

瓶鼻海豚click信号具有较高的分辨率和抗混响性,但国内对其研究和应用仍然不足。利用宽带高频记录系统,对瓶鼻海豚在水池环境近距离目标以及自然环境下产生的click信号进行记录。经过统计和对比分析,瓶鼻海豚在水池环境下产生的click信号相比于自然环境下产生的click信号,信号长度更长,频率更低,带宽更窄。建立并利用瓶鼻海豚click信号的波形简化表达式,对仿生瓶鼻海豚click信号的模糊函数开展进一步仿真分析,结果表明,自然环境下的瓶鼻海豚click信号信号长度更短,有利于目标的分辨;水池环境下的瓶鼻海豚click信号,峰值频率更低,频带更窄,有利于抗混响。