金字塔型宽带平面水声换能器的研制

针对水声通信对带宽的需求,研制了一种金字塔型宽带平面水声换能器.该换能器采用四层纯压电陶瓷块嵌套的方式,实现了带宽的拓展.采用ANSYS有限元软件对单层压电陶瓷和金字塔模型敏感元件进行仿真,得到单层陶瓷块谐振频率随元件厚度的变化规律,并根据仿真结果确定了四层压电陶瓷敏感元件的最优尺寸.将根据最优尺寸设计的四层敏感单元进行嵌套,制作成金字塔型换能器.测试结果表明,金字塔型换能器带宽达到57 kHz,最大发射电压响应为165.8 dB,接受灵敏为-180.7 dB,可以有效扩展带宽并具有很高的灵敏度.     

水声换能器近场校准方法的实验研究

近场校准方法可用于在近场条件下校准水声换能器。方法以亥姆霍兹(Helmholtz)积分为基础,由近场测量数据推算大尺寸水声换能器的远场特性。本文叙述了三种不同类型换能器近场数据测量技术和远场特性计算方法,并作为例子给出了近远场校准结果。     

基于APDL宏和VB封装的水声换能器有限元分析

为了有效地避免水声换能器有限元优化设计过程中的重复操作,以及降低对设计者专业技术门槛的限制,对AN-SYS的二次开发技术进行了研究。通过APDL(ANSYS parametric design language)宏和VB封装技术的结合使用,在后台调用ANSYS批处理模式执行相应的宏文件,实现了水声换能器的交互式参数化设计。以I类凹筒型弯张换能器为例开发的软件应用情况表明,换能器交互式参数化设计有效可行,并且操作简单,显示直观,具有十分重要的工程应用价值。     

面向水声对抗的宽带被动声纳信号仿真平台

水声对抗仿真系统中的声纳仿真台必须具备信号级仿真的能力,才能显示水声对抗的实际效果,针对平台声纳的水声对抗问题研究.为增加真实感和识别有效目标,设计并实现了一个宽带被动声纳信号仿真平台,通过信号产生、常规波束形成、波束功率积分和方位历程显示四个模块解决水声对抗的信号级仿真问题.信号产生模块根据水声对抗器材、水中目标的辐射噪声特征生成声源信号,并通过时延的信号合成,产生被动声纳各路水听器的接收信号;常规波束形成、波束功率积分和方位历程显示模块实现宽带被动声纳的信号处理及输出显示.仿真结果表明,平台实现了水声对抗的信号级仿真,能够支持水声对抗对宽带被动声纳干扰效果的研究,并具有良好的灵活性.     

冻土测试用1-3、2-2复合宽带超声换能器及其系统

本文研制成功一种冻土测试用５００ｋＨｚ纵波、横波１－３、２－２复合宽带换能器。其灵敏度高、频带宽,声阻抗低,很适于冻土力学特性测试。文中介绍了换能器的结构及相应测试系统特性,并仅１０ｐｓ的延时时间和在零度以下气温的条件下,料测了多种水量冻结兰州黄土试块的纵、横波声速。     

高频、高温超声换能器

100％(002)取向的AlN压电膜经过化学气相沉积(CVD)工艺被淀积在石英、蓝宝石和LMN陶瓷上。在1020-1040K的温度区间其生长率达到>20nms~(-1)。这些膜具有已知的任何压电材料最高的数值(125)和绝缘强度(>2×10~7Vcm~(-1))。其相对介电常数约为8.6,厚向(机电)耦合系数K_t值为20％。这种膜在≤1430K温度显示出超声响应。30MHz纵波换能器产生在石英延迟棒上的信号强度和在ZnO器件上产生的信号强度相差不大。未被冷却的、高温超声器件是使用取向的AlN膜研制的。     

聚焦换能器的研制和在超声特征成像中的应用

为了提高对层状复合金属材料缺陷的成像分辨率,需要用高灵敏度的聚焦换能器.针对我们研制的(F-San)全自动超声特征成像系统,用钛酸铅做压电晶片,不同颗粒度的钨粉做声透镜和背衬的主要材料,研制了主频为10～20MHz宽带窄脉冲聚焦换能器,并用光学法拍摄了主频为10MHz的换能器的超声波声场在水中的聚焦过程及焦斑大小.在对层状复合金属材料检测时,缺陷的成像分辨率达0.5 mm.     

水声换能器功放与匹配电路的设计与实现

是针对20 k~30 k频段的水声换能器设计D类功率放大器和匹配电路,PWM电路相对线性电路具有效率高、尺寸小等优点,所以D类功放一般选用PWM调制,D类功放由三角波发生器、比较器、功率管以及保护模块组成,实现高效率、低失真的功率放大。D类功放的输出一般都要通过一个低通滤波器来滤除高频信号,来还原低频信号。由于水声换能器是容性负载,会产生很大的无功功率,因此需要设计匹配电路,匹配包括调谐和阻抗匹配。匹配电路的加入能大大减少水声换能器的无功功率,进而提高功放的效率,使水声换能器在工作频段内能稳定工作。     

一种新型低频水声信号数据采集存储系统设计

本文介绍了一种新型低频水声信号数据采集存储系统,该系统对水声换能器输出的微弱信号进行放大、滤波,然后进行数据采集、存储,在数据采集存储过程中采用自动增益控制(AGC)技术调节通道增益,把信号放大到一定范围内,无需人工设置通道增益。湖试试验表明该系统具有存储容量大、简洁、有效和可靠的特点。     

浮标式无线远程水声数据采集系统设计

在讨论水下远程数据采集特点的基础上,给出了一种采用小型浮标式外形结构、24GHz无线传输方式的远程水声数据采集处理系统的设计与实现。经海上实验验证,与同类水下采集处理系统相比,其具有小型化、无线传送距离远、高传输带宽、信号动态范围大、可无线移动和通信质量好的优点。     

水声信号高频小波包能量识别系统模型

对水声信号的识别,提出了高频小波能量法,并构造了一个自动识别系统模型。系统对信号进行小波分解后,取高频子空间能量作为特征向量值进行信号的识别。高频小波能量法可采取小波包与小波两种变换,通过对两种方法的比较显示：高频小波包能量法构造的识别系统能够更好地识别低信噪比水声信号。     

水声信道的建模与仿真研究

本文简要分析了水声信道的传播特性，介绍了一种水声信道的仿真模型，并对模型进行了一定的理论分析，提出了一些改进的建议，最后给出了实现仿真的方法，并对仿真结果进行了分析。     

水声传感器网络分簇路由协议研究

通过分析LEACH协议的优缺点,提出了一种改进的基于位置的水声传感器网络分簇路由协议——PBCP。该协议对LEACH的簇首选择机制进行了改进,同时基于位置信息将簇首与Sink节点之间的通信由单跳改为多跳。仿真结果表明,与LEACH协议相比,PBCP协议能够有效节约节点能量,平衡网络负载,延长网络生存时间。     

基于FPGA的水声信号高速采集存储系统设计

介绍了一种基于FPGA的水声信号数据采集与存储系统的设计与实现,给出了系统的总体方案,并对各部分硬件和软件的设计进行了详细描述。系统以FPGA作为数据的控制处理核心,以存储容量达2 GB的大容量NAND型Flash作为存储介质。该系统主要由数据采集模块、数据存储模块和RS-232串行通信模块组成,具有稳定可靠、体积小、功耗低、存储容量大等特点,实验证明该系统满足设计要求。     

水声信号处理中的多传感器数据融合

水下环境的复杂性往往使得单个传感器的可靠性降低,而多个水下传感器的共同使用则成为一个趋势,这就涉及到对于来自多个传感器的数据进行多方面、多层次的融合处理。概括和分析了当前多传感器数据融合技术在水声信号处理领域中的应用现状,并将诸多的融合方法按照具体应用范畴进行了分类,主要包括水下目标探测、跟踪和识别,以及水下自制机车导航等方面,对每种应用情况下的各种数据融合方法进行了比较。     

水声信道均衡算法比较研究

简述了自适应均衡算法和盲均衡算法在水声通信中的应用现状,以及典型的几种均衡算法。分别采用稀疏多径信道和混合相位信道对几种典型的自适应算法和盲均衡算法的均方误差（MSE）性能进行了仿真比较,结果显示,判决反馈均衡器（DFE）结构的算法在以上复杂水声环境中均衡效果良好;采用稀疏多径相位旋转复信道对典型的自适应、盲均衡算法进行了仿真比较,结果表明,在相同的条件下,自适应算法受相位的影响较小,收敛速度快于盲均衡算法。消声水池实验表明了带二阶数字锁相环（DPLL）和DFE结构的均衡算法均具有较好的载波恢复性能,实现了对相位偏差的跟踪,提高了克服多径效应和多普勒频移补偿的能力。     

水声传感器网络中成簇时间同步协议研究

针对水声通信传播延迟长和节点移动性强的问题, 提出一种水声传感器网络中成簇时间同步协议。该协议将时间同步分为簇间同步和簇内同步两个过程, 并且通过簇间同步和簇内同步的局部并发执行减少同步过程中产生的报文数量。此外, 该协议在计算时钟频偏和相偏的过程中通过区分因为节点移动性造成的下游链路和上游链路传输延迟的不同来提高同步精度。仿真结果表明, 与其他同步协议相比, 成簇时间同步协议可以在降低同步误差的同时, 有效减少网络中同步报文的数量, 从而达到降低能量消耗的目的。     

水声传感阵列指向性与系统传输性能研究

针对浅海水声通信中水汽界面和海底的反射产生多途效应对信号传输的影响,依据水下声传输原理,分析了水声信道中的噪声特点和产生多途效应机理,研究水声信道中声传感器指向性与传输性能关系,探讨水声传感阵列方式在水下通信环境的优势,设计合理的阵元间连接形式、阵列驱动电路和阻抗匹配电路,保证有效的功率耦合效率。经水下试验测试表明:采用一定指向性的声阵列结构,利用单个阵元波束宽度小于10°,构成阵列结构的波束宽度小于30°,并进行一定阻抗匹配,可减小能量损失,有效提高水声通信系统性能。     

多用户水声通信仿真平台设计

多用户水声通信仿真平台由服务器和客户端两部分组成,在PC机上实现服务器功能;在以Cyclone Ⅲ FPGA为核心的SoPC系统上实现客户端功能.信号通过客户端的数据采集处理后,传输至服务器并与模拟水声信道的冲击响应进行卷积等运算,最后将运算结果转发给其他客户端,实现多用户水声通信仿真功能.