压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配方法和系统

技术领域

本发明涉及水声发射换能器应用领域，具体地，涉及一种压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配方法和系统。

背景技术

宽频带、大功率水声发射技术是现代水声发展的重要方向之一。在实际应用中，我们希望换能器功率因数能获得最大，同时带内发射电压响应应尽量平坦，换能器实际辐射信号尽量接近期望发射信号波形。而压电陶瓷水声换能器的固有特性决定了其本身不能同时满足以上要求，但是我们可以通过在功率放大器和水声发射换能器之间增加宽带匹配网络来实现宽频率、大功率的发射功能。

水声发射换能器宽带匹配包括三个方面，一是通过匹配使功率放大器向换能器输出额定的电功率，这是由于功率放大器需要一个最佳的负载才能输出额定功率，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使功率放大器的输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使功率放大器输出效率降低；三是通过匹配网络的频响特性改善水声发射换能器本身的发射电压响应，使得由功率放大器、匹配网络和水声发射换能器组成的发射系统在工作频带内的等效发射电压响应更加平坦。

当前设计水声发射换能器阻抗匹配网络，都是在获取到水声发射换能器阻抗以及发射电压响应数据的前提下开展的，其中，换能器的发射电压响应是通过给发射换能器施加一定的电压，采用比较法与标准水听器在同一声场中进行比较获得，准确性较高。而换能器的阻抗是通过阻抗分析仪或者电桥直接测量换能器电压电流复数比，得到不同频率的复数阻抗(或导纳)值以及等效电路特征参数值，对于压电换能器通常转换成并联形式的等效电路。

然而在实际工程应用过程中，往往发现以上述方法测得的发射换能器数据来设计匹配网络，其实际匹配效果比仿真结果要差。通过对以往试验数据进行统计分析，我们发现水声发射换能器还存在一个重要特性，即当换能器所处工作条件不一样时(如换能器所处水介质空间大小不同，或者换能器所处深度不同、或换能器所施加电压不同等)，此时换能器所对应等效电路的阻抗值都将发生变化，甚至在某些频率点处换能器由原来的容性负载变为感性负载。由此可知，换能器的阻抗不确定度影响了匹配网络的匹配效果。

专利文献CN105509873A公开了一种不依赖背衬的声学覆盖层声阻抗测试方法。将声学覆盖层样品置于水声声管中管体中间位置，保证声学覆盖层样品上下表面都有一定液柱高度。管体腔内一端设置水声发射换能器，声学覆盖层样品上下表面的水柱中分别设置两水听器，四个水听器分别与数据采集仪连接，数据采集仪与测量控制电脑连接。驱动发射换能器发射稳定宽频白噪声信号；数据采集仪同时采集水听器的声压，存为数据文档；改变上液柱高度，重新测量存储声压数据；读取所存声压数据，并按照相应公式计算声学覆盖层样品的输入声阻抗及传递声阻抗。然而该专利无法完全解决上述存在的技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配方法和系统。

根据本发明提供的压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配方法，包括：

步骤1：通过线性功率放大器给处于水下自由场球面波条件下的发射换能器施加预设频率的大功率正弦信号，采用电压、电流传感器分别测得发射换能器两端的电压和电流有效值以及相位差，通过数值计算得到发射换能器工作频带内的等效阻抗值或导纳值；

步骤2：将等效阻抗值或导纳值作为匹配网络设计程序的输入参数，通过网络分析和数值计算技术，以期望的系统传递函数为目标，不断迭代匹配网络的各项参数，最终得到期望的匹配网络功率增益，达到宽带匹配的目的。

优选地，阻抗测量过程为：

步骤1.1：设定发射换能器的工作带宽、中心频率分别为B和f

步骤1.2：设置线性功率放大器分别输出不同频率的大功率正弦信号，施加到处于水下自由场球面波条件下的发射换能器两端，通过电压、电流传感器测得不同频率下发射换能器两端的电压有效值V、流过换能器的电流有效值I以及换能器输入端电压和电流的相位差Θ。其中电压有效值V应满足V≥100，最佳取值为达到指标所要求的换能器发射源级时的电压值；

步骤1.3：计算得到发射换能器的等效阻抗Z

步骤1.4：对等效阻抗Z

步骤1.5：将发射换能器串联等效阻抗转换成并联等效模型，得到发射换能器的等效导纳Y

步骤1.6：将发射换能器导纳数据转换成等效并联电阻R

优选地，Δf满足：

Z

Z

Y

R

其中，R

优选地，宽带匹配过程为：

步骤2.1：定义集总参数模型下匹配网络模型N

步骤2.2：定义N

|V

其中，Y

步骤2.3：计算得到电压响应

步骤2.4：建立近似目标函数E，最终转换为求解近似目标函数的最小值；

步骤2.5：建立梯度向量

步骤2.6：优化匹配网络模型N

优选地，

E表达式为：

表达式为：/>

根据本发明提供的压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配系统，包括：

模块M1：通过线性功率放大器给处于水下自由场球面波条件下的发射换能器施加预设频率的大功率正弦信号，采用电压、电流传感器分别测得发射换能器两端的电压和电流有效值以及相位差，通过数值计算得到发射换能器工作频带内的等效阻抗值或导纳值；

模块M2：将等效阻抗值或导纳值作为匹配网络设计程序的输入参数，通过网络分析和数值计算技术，以期望的系统传递函数为目标，不断迭代匹配网络的各项参数，最终得到期望的匹配网络功率增益，达到宽带匹配的目的。

优选地，阻抗测量过程为：

模块M1.1：设定发射换能器的工作带宽、中心频率分别为B和f

模块M1.2：设置线性功率放大器分别输出不同频率的大功率正弦信号，施加到处于水下自由场球面波条件下的发射换能器两端，通过电压、电流传感器测得不同频率下发射换能器两端的电压有效值V、流过换能器的电流有效值I以及换能器输入端电压和电流的相位差Θ，其中电压有效值V应满足V≥100，最佳取值为达到指标所要求的换能器发射源级时的电压值；

模块M1.3：计算得到发射换能器的等效阻抗Z

模块M1.4：对等效阻抗Z

模块M1.5：将发射换能器串联等效阻抗转换成并联等效模型，得到发射换能器的等效导纳Y

模块M1.6：将发射换能器导纳数据转换成等效并联电阻R

优选地，Δf满足：

Z

Z

Y

R

其中，R

优选地，宽带匹配过程为：

模块M2.1：定义集总参数模型下匹配网络模型N

模块M2.2：定义N

|V

其中，Y

模块M2.3：计算得到电压响应

模块M2.4：建立近似目标函数E，最终转换为求解近似目标函数的最小值；

模块M2.5：建立梯度向量

模块M2.6：优化匹配网络模型N

优选地，

E表达式为：

表达式为：/>

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提出的水声发射换能器阻抗测量方法，充分考虑了水声发射换能器在不同工作环境下的阻抗多变性，对实际工作条件下的换能器参数进行等效计算，得到了发射换能器在特定工作条件下的等效电路参数，相较于采用阻抗分析仪或者电桥测量的结果，本发明提出的发射换能器阻抗测量方法以实际工作条件出发，具有更高的准确性，减小了换能器阻抗测量的不确定度，为后续设计宽带匹配网络提供了更加准确的数据，能有效提升匹配网络的效能；

(2)本发明提出了水声发射换能器宽带匹配方法，该方法充分运用网络分析和数值计算理论，以实测的换能器阻抗数据为基准，通过建立宽带匹配目标值和近似目标函数，采用迭代算法求解出梯度向量的相对最小值，以达到期望的功率传递函数，从而完成宽带匹配设计，本发明提出的水声发射换能器宽带匹配方法具有误差小、准确度高的优点，使匹配网络的实际效能更加接近仿真结果，设计出的宽带匹配网络同时具有宽频带、高效率等特点，从而达到宽带匹配的效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种水声发射换能器阻抗测量方法流程图；

图2为一种水声发射换能器宽带匹配程序流程图；

图3为根据本发明提出的换能器阻抗测量方法和宽带匹配方法设计出的某型水声换能器宽带匹配网络图；

图4为某型水声发射换能器宽带匹配后的幅频响应曲线图(实心曲线是换能器的发射电压响应，空心曲线是匹配后的发射源级)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提出了一种压电型水声发射换能器阻抗测量方法及宽带匹配方法，首先通过线性功率放大器给处于水下自由场球面波条件下的发射换能器施加一定频率的大功率正弦信号，采用电压、电流传感器分别测得发射换能器两端的电压和电流有效值以及相位差，通过数值计算得到发射换能器工作频带内的等效阻抗值(或导纳值)；然后将该等效阻抗值(或导纳值)作为匹配网络设计程序的输入参数，通过运用网络分析和数值计算技术，以期望的系统传递函数为目标，不断迭代匹配网络的各项参数；最终得到接近于理想的匹配网络功率增益，达到宽带匹配的目的。

如图1，阻抗测量方法包括如下步骤：

步骤1：假定发射换能器的工作带宽、中心频率分别为B和f

步骤2：设置线性功率放大器分别输出不同频率的大功率正弦信号，施加到处于水下自由场球面波条件下的发射换能器两端，通过电压、电流传感器测得不同频率下发射换能器两端的电压有效值V＝[v

步骤3：根据步骤1和步骤2中的频率分量F、电压有效值V、电流有效值I以及相位差Θ，通过以下公式求得发射换能器的等效阻抗Z

Z

步骤4：对步骤3中得到的等效阻抗Z

Z

R

X

步骤5：再将步骤4得到的发射换能器串联等效模型转换成并联等效模型，得到发射换能器的等效导纳Y

Y

步骤6：将步骤5得到的发射换能器导纳数据转换成等效并联电阻R

C

R

宽带匹配网络的设计采用了以上方法测得的换能器阻抗数据，根据期望的功率传递函数与计算得到的功率传递函数定义了误差判断准则，将匹配问题描述为一参数优化问题。如图2，宽带匹配方法包括如下步骤：

步骤1：定义集总参数模型下匹配网络模型N

步骤2：定义N

|V

其中，Y

步骤3：由步骤2中的等式，可以求得期望得到电压响应

步骤4：建立近似目标函数E，其表达式为：

最终转换为求解近似目标函数的最小值。

步骤5：建立梯度向量

步骤6：优化匹配网络模型N

实施例2

实施例2为实施例1的优选例。

本实施例是利用本发明所提出的一种压电型水声发射换能器阻抗测量方法及宽带匹配方法，对某型水声发射换能器进行阻抗测量和宽带匹配。

首先将换能器的工作带宽进行等间隔划分，这里确定频率步进Δf＝1000Hz，然后设置线性功率放大器的输出电压，这里根据换能器的实际使用需求设置为500V。依次改变线性功率放大器输出信号的频率，然后施加到换能器两端(换能器处于水下自由场环境下)，通过电压和电流传感器测量换能器两端的电压V、电流I以及电压信号和电流信号之间的相位信息Θ。根据本发明提出的水声换能器阻抗测量方法，以测得的V、I、Θ数据为原始数据，按照阻抗测量方法中步骤1～步骤6进行电路模型等效计算，得到换能器的等效并联电阻R

此外，将标准水听器放置于同发射换能器同一水平面远场条件下，即

在得到以上数据以后，就可以采用本发明提出的换能器宽带匹配方法来设计相应的宽带匹配网络。按照宽带匹配方法中步骤1～步骤6来求解近似目标函数E的最小值，经过多次迭代运算后，求解出匹配网络中各元件的数值。设计出的某型换能器宽带匹配网络如图3所示，其中变压器T

表1两种测量方法测得的换能器导纳数据

实施例3

本发明还提供一种压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配系统，所述压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配系统可以通过执行所述压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配方法理解为所述压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配系统的优选实施方式。

根据本发明提供的压电型水声发射换能器阻抗测量及宽带匹配系统，包括：模块M1：通过线性功率放大器给处于水下自由场球面波条件下的发射换能器施加预设频率的大功率正弦信号，采用电压、电流传感器分别测得发射换能器两端的电压和电流有效值以及相位差，通过数值计算得到发射换能器工作频带内的等效阻抗值或导纳值；模块M2：将等效阻抗值或导纳值作为匹配网络设计程序的输入参数，通过网络分析和数值计算技术，以期望的系统传递函数为目标，不断迭代匹配网络的各项参数，最终得到期望的匹配网络功率增益，达到宽带匹配的目的。

阻抗测量过程为：

模块M1.1：设定发射换能器的工作带宽、中心频率分别为B和f

模块M1.2：设置线性功率放大器分别输出不同频率的大功率正弦信号，施加到处于水下自由场球面波条件下的发射换能器两端，通过电压、电流传感器测得不同频率下发射换能器两端的电压有效值V、流过换能器的电流有效值I以及换能器输入端电压和电流的相位差Θ，其中电压有效值V满足V≥100，最佳取值为达到指标所要求的换能器发射源级时的电压值；

模块M1.3：计算得到发射换能器的等效阻抗Z

模块M1.4：对等效阻抗Z

模块M1.5：将发射换能器串联等效阻抗转换成并联等效模型，得到发射换能器的等效导纳Y

模块M1.6：将发射换能器导纳数据转换成等效并联电阻R

Δf满足：

Z

Z

Y

R

其中，R

宽带匹配过程为：

模块M2.1：定义集总参数模型下匹配网络模型N

模块M2.2：定义N

|V

其中，Y

模块M2.3：计算得到电压响应

模块M2.4：建立近似目标函数E，最终转换为求解近似目标函数的最小值；

模块M2.5：建立梯度向量

模块M2.6：优化匹配网络模型N

表达式为：/>

E表达式为：

表达式为：/>

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。