随钻声波发射换能器宽频阻抗匹配设计及实验

发射换能器是随钻声波测井仪器的核心部件,其工作带宽及辐射声波能量的强弱是仪器的关键技术指标。换能器是一个非线性容性负载,可以采用阻抗匹配的方式增强有功功率并拓宽工作频带。本文将换能器多模态等效电路与阻抗匹配网络结合,利用电路网格方程对元件参数进行求解。最终在消声水池进行声场测试,观测换能器有功功率、声场辐射声压、发射电压响应等电、声特性,综合评估阻抗匹配网络的效果,为后续的随钻仪器研发及实验测试提供帮助和指导。实验结果表明,本文所设计的阻抗匹配网络能够明显改善换能器的声波辐射性能,频带宽度拓宽3.3倍,有功功率提高1.7倍,声压增强1.8倍,发射电压响应提高5 dB,在12～16 kHz的频带内发射电压响应最高可达125 dB。     

基于 CPLD的双通道高压脉冲信号源

针对声波测井压电陶瓷换能器容性大的负载特性,采用单片机和CPLD相结合的方式设计了一种输出幅度高、驱动电流大、脉冲宽度可调的双通道高压脉冲信号源。系统利用C8051F350单片机及PWM控制芯片MM33060A,并结合自耦变压器反激式升压电路将12 V直流供电电压抬升至300 V。采用CPLD产生精确的频率可控的300 V脉冲电压,利用脉冲变压器进一步提升电压,得到了上千伏的高压激励脉冲。实验结果标明,设计的信号源在激励压电陶瓷换能器时,负载上得到了比较理想的波形,波形上升沿陡峭,无拖尾及振荡现象,满足实际应用需求。     

海底甲烷气泡多普勒测速超声波发生器研制

多普勒效应测量海底甲烷气泡流速,需要一种能发射稳定频率的正弦波且频率可调的超声波发生电路。采用光电耦合实现信号源与驱动电路隔离,两路驱动信号死区时间可控;并采用悬浮电源D类谐振式电路实现频率高达1MHz正弦波信号的功率放大。测试结果表明,该电路可驱动功率为10~50W的超声波换能器,功耗小、频率稳定、波形误差小。     

电磁超声导波大功率激励信号的线性放大方法

针对电磁超声导波大功率激励信号的线性放大问题,研究采用多个功率场效应管线性放大并联输出电路作为功率输出级,以提高线性放大后信号输出功率的方法。采用前级场效应管线性放大电路源极驱动方式为功率输出级电路设置静态工作点,并提供瞬态交流输入信号。采用差分结构配置整个电路以抑制开关特性引起的抖动,从而实现低功耗、大瞬态输出功率的线性放大电路的设计。试验结果表明,该线性放大电路能驱动中心频率为180 k Hz的电磁超声传感器,且能获得高信噪比的导波检测信号;在驱动50?标准负载时能输出瞬态功率可达1.8 k W的导波激励信号,且波形失真小。所提出的电磁超声导波大功率激励信号的线性放大方法能有效指导该类电路的设计。     

电容式微机械超声换能器的驱动电路设计

电容式微机械加工超声换能器(cMUT)具有频带宽、灵敏度高等优点,而设计高压高频的驱动电路则是实现其优异性能的前提。针对现有驱动电路体积过大等问题,在对换能器简化模型做有限元分析求得其工作电压基础上,提出了用FPGA控制8片脉冲发射专用芯片HV7350直接驱动换能器64阵元的方案。并对其中一个通道进行了验证,产生的30VPP、400 k Hz脉冲使换能器能够在0.5 m距离下接收到4.4VPP的一次回波信号。本驱动电路具有高度集成,操作简单,幅值可调,频率可控的特点,为cMUT的应用提供了可行的参考。     

基于储能电感的超声波发射电路本安化方法研究

针对煤矿千米定向钻机钻进过程中应用超声波换能器对钻孔状态监测时存在需要高电压驱动和本质安全化无法兼备的问题,提出了一种基于储能电感的本安型超声波发射电路。介绍了发射电路的基本原理,理论研究了换能器等效阻抗和稳压管动态电阻对激励脉宽的影响;分析了发射电路内部和输出本质安全特性,据此给出了本质安全参数的判断标准和一种高电压本安型超声波发射电路参数计算方法。实验结果表明：在设计参数范围内,200 V幅值的激励脉冲宽度能够可达2～3μs,大于设计值1.5μs;测量储能电感电流为0.9 A,换能器等效电容为1.05μF,分别小于本安条件下的电流1 A、电容100μF。因此,本文所提方法得到的电路参数能够在输出高电压激励脉冲下,满足本质安全要求。     

电容式微机械超声换能器阵列的发射电路设计

针对以电容式微机械超声换能器(CMUT)为探头的超声成像系统,设计了基于FPGA的前端发射电路。由FPGA控制高压脉冲芯片产生8路激励脉冲,并通过高压模拟开关芯片分组激励16阵元换能器;设计收发隔离电路限制高压脉冲进入接收部分。搭建测试平台对电路功能进行验证,测试了每一阵元对应的激励脉冲。测试结果表明,实现了脉冲的发射及阵元选通的目的,实现线性扫查;并且收发隔离电路将高压脉冲限制在2.08 V。该电路具有控制方便,灵活性高的优点,为CMUT阵列成像应用提供硬件支持。     

一种基于AD9854的激励信号源设计

某型控制设备需要激励信号才能正常工作,真实激励信号的产生需要特定的场地、特定目标,一次性使用,费用昂贵。采用单片机和FPGA+DDS组合搭建两级电路,实现了激励信号状态可设置,产生全状态激励信号的特定函数激励信号源,解决了控制设备能正常工作和在全状态激励下工作。两级电路之间采用SPI通信,实现了激励信号源通用控制设计应用。激励信号源具有产生全状态激励信号,体积小,无场地限制,无需目标,结构简单,便于维护,复制成本低,运行可靠等特点,能有效地为控制设备提供全激励信号。     

电磁超声纵波换能器设计及对铅板检测试验研究

常规的电磁超声横波换能器在测量铅板时存在1次回波信号弱、信噪比极低、难以有效检测等问题,铅的剪切模量小是造成这种现象的主要原因。针对这一问题,文中提出采用电磁超声纵波换能器用于铅板的检测,优化设计了一种应用于铅板检测的新型纵波换能器。首先设计线圈结构和磁场的布置方式,再综合正交试验法和控制变量法,利用多物理场建模仿真软件对线圈的各个参数进行优化,分析了线圈各参数对超声回波强度的影响规律,制作了线圈和换能器原型并开展了相关测试,实验表明：同等激励条件下,纵波换能器的1次回波信号强度是横波换能器的1.63倍,显著提高了回波的信噪比,实现了铅板的厚度测量。     

超声波液位传感器功能电路设计与实现

针对液位检测系统中使用的超声换能器,对其外围功能电路进行了设计及实现。电路包括发射模块、选择模块和接收模块。给出各部分的原理图设计,并将设计好的电路板进行液位检测实验,以验证电路的功能。实验结果表明：电路可输出频率为1.082 MHz、幅值为±8.8 V的连续正弦波,能激励换能器产生超声波。同时可由电路板控制换能器的收发转换以及实现接收信号的放大和检波功能。对于壁厚3 mm的铝合金容器,内部无水和有水时得到的最终读数分别为4.67 V和2.18 V。设备读数偏差<16 mV。     

超声导波在管中传播的理论分析与试验研究

采用分布式PZT传感器在管中激励和接收超声导波。根据在管状波导中传播的超声波具有频散现象及多模态特征,选择具有单一频率的特定信号激励超声波,使其频散最小;同时采用分布式传感器抑制不同模态的波型。其试验结果与理论预测相吻合。     

热超声键合换能系统阻抗/导纳模型

采用等效电路方法建立换能系统的阻抗/导纳集总参数模型,包含各子部分的材料特性、尺寸、系统损耗因子、谐振频率、激励电信号以及不同负载下系统阻抗和导纳等动力学特性。以无键合工具与有键合工具两种不同负载为例计算得到,在100 kHz范围内系统包含4阶轴向谐振频率;相比于无键合工具条件,有键合工具负载条件下的各阶谐振频率增大,其电阻值增大,电导值降低。阻抗分析仪试验与有限元分析结果均验证系统阻抗/导纳模型的正确性。     

钻柱信道中声信号传输的接收特性分析

针对周期性管结构信道特征,构建钻柱内一维低频纵波传输的有限差分模型,应用单个加速度传感器作为声接收器,在时、频域仿真分析了换能器接收位置对声信号传输特性的影响规律。在此基础上,考虑信道内多重回波对声通信信号检测的影响,基于信道容量的分析,引入上、下行信道的单位脉冲激励响应,设计了一种基于双声接收器模式的回波噪声抑制方法,并利用倒频谱解析算法,求解接收信号中的回波信息,分析了单、双接收器工作模式下信道响应特征。数值仿真结果表明,双接收模式可有效抑制井下回波噪声,改善信噪比,从而实现更佳的信道接收性能。     

水下声信号的激光干涉测量

为准确测量水下目标的发声频率,在光学暗室下建立了基于激光干涉法探测水下目标的实验系统。当水下声源引起水表面波动时,用激光照射水面,携带声波信息的水面散射光与参考光干涉,利用精密光学测量装置探测光程差的改变,通过数据采集和处理系统从干涉信号的频谱分析图中解调出水下声信号的频率信息。干涉信号的频谱分析图中存在以水下声信号频率为中心的频带,频带宽度与自然水表面波引起的多普勒频移有关。实验结果表明,水下发声目标引起水表面波动的振幅在纳米级,系统可以实时探测出4～15kHz的水下声信号,且测量标准偏差7Hz。该系统可满足水下目标识别技术的实时性、准确性等要求。     

基于边界元理论的鼓风机组管路振动噪声控制研究

针对鼓风机组管路振动噪声问题,应用结构声辐射理论和结构振动测量数据分析振动声辐射强度。以实测振动信号为依据,根据对低频段计算精度较好的边界元理论,应用有限元软件和Sysnoise声学仿真软件建立了实际声场的边界元流体模型和有限元结构模型的耦合模型,得到了模拟声场的仿真结果,并与实测结果进行比较,确定了主要噪声能量来源于管路振动造成的结构振动。通过分析振动的来源以及振动传递的路径和传递特性,确定了隔振降噪的方法。依据理论分析结果,对实际现场采取了有效的隔振降噪方法,隔振后降噪效果明显。     

Tunable sonar transducer

Abstract

A prototype of a tunable sonar transducer has been successfully tested in the transmit/receive mode. It employs a tunable sandwich transducer which is a high-Q transmitter with resonance frequency that can be shifted continuously over a wide frequency range between the fundamental harmonic at 27?kHz and the first overtone at 73?kHz of the whole structure. The tunable sandwich transducer divides the active piezoelectric layer to two sets. The first is the control ceramic whose function is to vary the resonance frequency of the overall structure by using various values of inductor across its terminals. The control ceramic is mechanically coupled to the drive ceramic which provides the acoustic power during transmission and alternately acts as a receiver. From the transmit/receive measurements within the tunable frequency range, the receiving sensitivity of the tunable transducer may be varied between 0 and 9?μV/Pa. Generally, the receiving sensitivity is higher at the mechanical resonance frequencies and lower in the mid-frequency range. The receiving sensitivity of the tunable transducer at the fundamental harmonic is 9?μV/Pa (?221?dB re 1?V/μPa) which is similar to 11?μV/Pa (?219?dB re 1?V/μPa) for the sensitivity when driven as a conventional sandwich transducer.     

A Frequency-to-Time Sound-Velocity Transducer

The transducer described is intended to control the sound velocity in sea water and is based on the principle of the tracking balancing of the probing duration by an acoustic pulse of the studied medium at a given basic distance by the pulse period divisible by the pulse period of the frequency-controlled oscillator. The transducer has a high measurement accuracy, which is achieved by the practical exclusion of a random error component caused by amplitude fluctuations of the received signal as a result of abnormalities of the acoustic transparency of the studied medium caused by various disturbing factors. The acoustic base-line distance of the converter is 0.1 m, the measurement range is 1400–1600 m/s, the output signal is a frequency of 140–160 kHz, the absolute basic error is ±0.035 m/s, and the output signal rise time does not exceed 0.6 s.     

弹性波在高压输电线中的传播特性

采用压电陶瓷设计了一种适用于高压输电线结构健康监测的传感器,分析了该传感器在输电线表面激励弹性波,得到了弹性波在输电线中的传播特性。利用Gabor小波变换计算传感信号到达时间的原理,试验得到了弹性波在输电线中传播的群速度频散曲线。结果表明,在低频段(低于30kHz)时,弹性波在输电线中的传播模态比较简单,适合用于结构健康监测。通过弹性波在输电线中的衰减试验,得到了信号峰值随传播距离的衰减曲线以及激励信号频率与信号峰值之间的关系曲线,得到弹性波在输电线中按照指数规律衰减。     

钻柱声传输的OFDM调制方法实现

为提高油气开采过程中随钻测井(LWD)数据传输速率,针对钻柱声传输技术中因周期性边界引起的色散和多重回波问题,从数据通信的角度出发,将正交频分复用(OFDM)多载波调制技术引入声传输系统,并以钻杆为信道,采用PC机结合FPGA模块和数据采集卡的形式,搭建了数据传输实验平台。数据传输实验结果表明,基于OFDM调制方式的短节钻杆声传输方案可实现160 bit/s的传输速率,该方案同时可为后续的钻柱声传输设计与实验提供方法指导。