基于LabVIEW的參量陣測試系統設計方法

　　引言

　　聲學(xué)參量陣(ParametricAcousticArray)是利用介質(zhì)的非線(xiàn)性特性，使用兩個(gè)沿同一方向傳播的高頻初始波在遠場(chǎng)中獲得差頻、和頻及倍頻等的聲發(fā)射裝置。根據介質(zhì)中聲吸收原理，吸收與信號頻率的平方成正比，在聲波的傳播過(guò)程中，和頻及倍頻等頻率較高的信號衰減很快，經(jīng)過(guò)一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號。與常規換能器相比，首先，該差頻信號具有更好的指向性；其次，該差頻信號幾乎沒(méi)有旁瓣，避免了在淺海沉底或沉積物探測過(guò)程中由于邊界不均勻所帶來(lái)的干擾和信號處理的復雜性；第三，差頻信號具有大于10kHz的帶寬，空間分辨率高，抗混響，并能獲得較高的信號處理增益等。

　　基于上述優(yōu)點(diǎn)，參量陣在水下探測、水下通信等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。例如，在國外，德國INN0-MAR公司生產(chǎn)的SES-96和SES-2000系列參量陣測深／淺底層剖面儀，目前廣泛應用于淺海水下探測，其中SES-96低頻的束角為±1．8°，穿透深度最大達50m；在國內，中國科學(xué)院東海研究站研制成功的參量陣“堤防隱患監測聲納”，可以對江河湖底和海底沉積層進(jìn)行探測識別或對堤防損毀程度進(jìn)行探測評估。另外，美國技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的參量揚聲器專(zhuān)利產(chǎn)品——極超音速揚聲器系統(HypersonicSoundSystem，HSS)，實(shí)現了聲音在空氣中的定向傳播。

　　但是，目前參量陣技術(shù)并不成熟，沒(méi)有形成統一的國際標準或行業(yè)規范。本文旨在對聲參量陣在空氣中的應用做一些初步的探索和研究，為聲參量陣技術(shù)應用于水聲探測做準備。

　　1聲參量陣理論及換能器陣設計

　　1．1聲參量陣理論

　　假設兩個(gè)高頻初始聲波信號的頻率分別為ω1和ω2(不妨設ω1>ω2)，信號在傳播中由于介質(zhì)的非線(xiàn)性效應而形成差頻信號(ω1-ω2)、和頻信號(ω1+ω2)、倍頻信號(2ω1和2ω2)以及原信號(ω1和ω2)，可表述如下：

式中：ei(i=1，2，…，6)為無(wú)量綱參量。

　　由于高頻初始聲波信號ω1和ω2可以做得很接近，差頻信號(ω1-ω2)的頻率很低，該差頻信號具有很強的沉積層穿透力，可以用來(lái)探測海底淺部底層結構，而反射的主頻信號則可以用于精確的水深測量。另外，原波頻率較高，換能器可做得很小，這不但可以減小發(fā)射器的體積，而且還可探測較小物體。產(chǎn)生的差頻信號強度較原波稍高，衰減較慢，并與高頻時(shí)的波束角非常接近，且沒(méi)有旁瓣，因此其波束指向性好，具有較高的分辨率。同時(shí)可控的差頻聲波信號可以承載更多的沉積層信息，以便對埋入沉積層的目標進(jìn)行分類(lèi)識別。

　　1．2換能器陣設計

　　此處的換能器指的是電聲換能器，即用來(lái)實(shí)現電能和聲能之間能量相互轉換的器件。由于單個(gè)換能器的指向性不好(甚至沒(méi)有指向性)，而且單個(gè)換能器的發(fā)射功率也不大。因此考慮使用基陣的方法，即由若干個(gè)換能器按一定規律排成陣列。這樣不但提高了發(fā)射功率，而且通過(guò)基陣形成的波束，其方向性的旁瓣得到降低，指向性得到了很大的提高，從而對目標的定位、定向和測速都有很大的改善。同時(shí)隨著(zhù)發(fā)射功率的增大，空間處理增益和接收陣輸入端的信噪比得到提高，并且系統的作用距離有所增加，對單個(gè)換能器的指向性等要求也有所降低，實(shí)現起來(lái)更加容易。

　　設計換能器陣時(shí)，可以采用多種排列組合方式，如矩形陣、六邊形陣、圓形陣等。本系統采用9個(gè)圓形壓電陶瓷換能器組成3×3矩形基陣的形式來(lái)發(fā)射超聲信號，并利用4個(gè)傳聲器來(lái)進(jìn)行回波的接收。如圖1所示，其中1，3，7及9號換能器構成一個(gè)通道，其余5個(gè)換能器構成另一個(gè)通道。

　　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。