基于LabVIEW平臺的參量陣測試系統設計

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，經(jīng)過(guò)線(xiàn)性相加以及功率放大后，同時(shí)激勵換能器陣中的所有陣元；而雙通道發(fā)射方式是指兩個(gè)原波信號經(jīng)過(guò)功率放大后，各自通過(guò)換能器陣中的某個(gè)通道來(lái)激勵相對應的陣元。
相比較，單通道發(fā)射方式結構比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，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雜。本系統中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，即載波調制信號同時(shí)接入換能器陣的兩個(gè)通道。

2 聲參量陣測試系統的組成結構設計
本文設計的系統結構原理框圖如圖2所示，主要包括PC機(LabVIEW信號處理平臺)、功率放大電路、換能器發(fā)射及接收陣、信號接收電路及數據采集卡等結構。其中，PC機主要是通過(guò)LabVIEW軟件完成對初始信號和高頻載波的產(chǎn)生、信號失真預處理和接收信號的后續處理(包括信號的實(shí)時(shí)顯示、頻譜分析等)；換能器發(fā)射和接收陣分別實(shí)現載波調制信號的發(fā)射和回波信號的接收；功率放大電路用來(lái)提高載波調制信號的發(fā)射功率；而信號接收電路則是對傳聲器接收到的回波信號進(jìn)行處理，包括前端放大、帶通濾波及末級放大等幾個(gè)處理環(huán)節。

2．1 信號處理
信號處理是本系統中關(guān)鍵部分之一，主要完成輸入信號的失真預處理和超聲載波的振幅調制。信號處理部分的基本理論是。Berktay遠場(chǎng)解決方案。
2．1．1 失真預處理
失真預處理的目的是增強信號的強度，減少失真，增強低頻等。1965年， Berktay使用調制中包絡(luò )的概念為參量陣提出了一個(gè)更精確完整的解釋?zhuān)J為最終的解調信號將由這個(gè)包絡(luò )決定，即參量陣解調后的信號P2(t)與包絡(luò )E (t)平方對時(shí)間的兩次微分成正比。根據Berktay遠場(chǎng)解決方案，現有的預處理方法主要有三種：
第一種也是最初的預處理方法，假設包絡(luò )為E(t)=1+mg(t)，其中m為調制因數，g(t)為音頻信號。則有：

根據式(1)可以看到：在非線(xiàn)性作用下，信號的自解調能夠將正比于包絡(luò )信號E(t)的調制信號Ps(t)解調出來(lái)；但自解調過(guò)程中會(huì )伴隨二次諧波失真信號Pd(t)的產(chǎn)生。
細觀(guān)式(1)可得，失真信號Pd(t)與m2成正比，即減小m就可以減少失真，但解調出來(lái)的信號Ps(t)也隨之減小，導致轉換效率降低。因此就有了第二種預處理方法，對包絡(luò )先積分兩次，然后再開(kāi)方，即：

很顯然，單邊帶預處理方法對應產(chǎn)生純音頻信號時(shí)沒(méi)有失真，即沒(méi)有其他頻率成分產(chǎn)生。
2．1．2 載波調制
載波調制的作用是將預處理過(guò)的信號與超聲載波信號進(jìn)行振幅調制，生成超聲載波調制信號。載波調制可分為雙邊帶(Double Sideband，DSB)調制和單邊帶(Single Sideband，SSB)調制等。在DSB調制中，輸出信號的頻譜由位于載頻左右兩側的上下邊帶組成，而且信號的上、下邊帶攜帶的調制信號信息完全一樣；SSB調制就是選擇DSB調制中一個(gè)邊帶進(jìn)行傳輸，從而節省一半的發(fā)射功率。假設載波頻率為85 kHz，音頻信號頻率為5 kHz，則DSB和SSB調制示意圖如圖3所示。