2007年10月第24卷 第5期枣庄学院学报
J OURNAL OF ZAOZ HUANG UN I VERSITY O ct .2007
Vo.l 24NO.5
一种宽带水声换能器匹配方法的研究
闵祥国
(枣庄学院物理与电子工程系,山东枣庄 277160)
[摘 要]低频、宽带、大功率水声发射系统是现代水声技术发展的方向,也是匹配技术的难题.本文给出一个简易的匹配网络,通过理论和试验验证,基本可以达到宽带发射系统的要求,从而对宽带换能器匹配的工程实现有一定的借鉴意义.
[关键词]宽带水声换能器;匹配网络;阻抗匹配[中图分类号]TB565+1 [文献标识码]A
[文章编号]1004-7077(2007)05-0031-03
1 引言
换能器匹配问题一直是宽带水声信号发射研究的重要研究方向,尤其是低频、宽带、大功率的发射换能器的匹配是现代水声发展的重要技术环节,也是一直存在的难题.匹配的好坏不仅会影响换能器的输出功率,也会影响到整个系统的发射效率,有时还会导致换能器的损坏.匹配网络是使性能良好的换能器和功率放大器发挥最高效能的桥梁和纽带.近些年许多学者在这方面做过不少研究,但大都理论复杂,不易于工程实现;本文给出一种简易的匹配网络,应用于实际,结果与理论值近似.
2 匹配的基本原理
水声发射机一般由功率放大器、匹配网络、水声换能器组成,简化结构如图1所示.其中虚线右侧是水声压电陶瓷换能器的一般等效电路,其中C 0是换能器的静态电容,C 1、L 1、R 1分别是其动态电容、动态电感和动态电阻.Z 0=R 0+j X 0,是功率放大器的输出阻抗,一般为纯阻性,即X 0=0;Z 1=R e +j X e ,是换能器加匹配网络后的输入阻抗;Z 2=R 2+j X 2,是换能器的输入阻抗.由最大输出功率条件知,最佳的匹配条件是
R 0=R e X 0=X e =
图1换能器等效电路
F i g .1Equi val ent circ u i t of
transducer
图2换能器发射灵敏度
F i g .2T rans m i t SL of transducer
#
31#¹[收稿日期]2007-04-05
[作者简介]闵祥国(1979-),男,山东滕州人,枣庄学院物理与电子工程系助教,山东大学信息科学与工程学院电子与通信工
程专业2007级硕士研究生,主要从事电路与系统以及水声通信研究.
枣庄学院学报2007年第5期
匹配网络一般要起到的作用有:
调频:即用外加电抗性元件来调节换能器本身的输入阻抗和谐振点,使其输入相角减小,从而减小功率传输中的无功损耗,提高转换效率;
变阻:即变换换能器的有功电阻,使之与功率放大器的输出电阻一致,从而使换能器获得最大的输出功率,一般可通过变压器实现;
滤波:由于D 类功放属于开关型功放,方波信号中含有大量谐波成分,合理设计匹配网络可滤掉多余的频率成分,减轻功放负担,提高转换效率.
总体上讲,要实现功率放大器和水声换能器在较宽工作频带内的良好匹配是比较困难的,由于功率放大器的最大输出功率是一定的,当它的输出电压确定后,其输出阻抗也就确定了,而水声换能器在水中的阻抗并非恒定值,而是频率的函数,随频率的改变而变化很大.如果不能实现功率放大器和水声换能器的良好阻抗匹配,就会导致功放的严重失配,致使功率管发热,设备不能正常工作,功放的输出功率无法保证,所以匹配目的就是要对换能器进行阻抗变换,使其在较宽的工作频带内有较为恒定的输出功率.
3 匹配网络特性分析
换能器在工作频带内的各参数和导纳曲线已知,它在工作频带内的发射灵敏度曲线如图2示.换能器在本身谐振点附近的发射灵敏度最高,往两侧呈逐渐衰减趋势.根据系统要求的宽带恒功率发射的匹配准则,匹配的直接目的就是要对换能器的发射灵敏度曲线进行峰点和谷点补偿,改善其电压响应特性,最终得到一个较为平稳的发射响应曲线.
图3换能器简易等效电路
F i g .3Si m pl e equ i va l ent ci rcuit of transducer
图4发射源级曲线F i g .4Curve of trans m i t SL
为此我们采用的匹配网络为电感的串并联匹配网络,由于在宽带内换能器动态电容和动态电感相对于网络中的静态电容和串并联电感来说可以忽略不计,所以此时等效电路如图3示,虚线方框内为外加的串并联匹配网络.
主要是利用其中的电容C 0、电感L 串和L 并对换能器的高、低频段进行阻抗补偿和电压补偿.
下面我们就对该匹配网络进行分析:
相对高频段,由于L 并的值较大,j X L 的值比较大,电感L 并相当于开路,此时的匹配网络由串联电感L 串和静态电容C 0组成,则有:
Z 1=j X L 串
+
R 1*
1
j X C 0
R 1+
1
j X C 0
=R 11+X 2C 20R 21+j (X L 串-X R 21C 0
1+X 2C 20R 2
1
)由最佳匹配条件知:
#
32#
闵祥国一种宽带水声换能器匹配方法的研究
R
0=
R
1
1+X2C2
R2
1
X
0=X L
串
-
X R2
1
C
1+X2C2
R2
1
=0
计算得到串联电感的值为:
L 串=
X R2
1
C
1+X2C2
R2
1
在实际工程应用中,换能器给定的本身的参数R
1约为几k8量级;C
约为十几pF
量级,以及我们想要谐振的工作频率f约几十k H z,X2C2
0R2
1
>>1,所以上式就可以简化
为:
L 串=
1 X2C
这样就可以得到谐振高频所需的串联电感值L
串
,大小约为1.5~3mH.
相对于低频段,随着频率的降低,串联电感L
串感抗减小,静态电容C
容抗增加,此时
串联网络的阻抗呈容性,需要加并联感性元件L
并
,降低其容性,使匹配网络加换能器等效为纯阻性网络,此时:
Z
1=
[
R
1
1+X2C2
R2
1
+j(X L
串
-
X R2
1
C
1+X2C2
R2
1
)]*j X L
并
R
1
1+X2C2
R2
1
+j(X L
串
-
X R2
1
C
1+X2C2
R2
1
)+j X L
并
同样由于X2C2
0R2
1
>>1,简化上式,设X=
1
X2C2
R
1
,令虚部为0,得到:
L 并=(
1
X2C
-L
串
)+
X2
X2(1
X C
-L
串
)
根据换能器给定的本身的参数R
1,C
以及想要谐振的高工作频率X和串联电感值
L 串,就可以得到谐振低频所需的并联电感L
并
,大小约为十几~几十mH.
以上是在理论上对宽带换能器匹配网络的定性分析计算,然而实际上换能器本身的
参数不是恒定数,变化很大,而且不同的的换能器参数也不一样,这就给实际的匹配带来很大困难.所以匹配时必须根据实际情况,调节网络中的串、并联电感的值,通过试验来验证最佳匹配效果!另外在换能器允许的电压和功率范围内,对发射灵敏度较低的边沿频率采用了电压补偿,提高驱动功率放大器的信号幅度,从而提高换能器在该频率段的发射响应;也可以考虑在换能器两端并联一电阻,降低换能器阻抗的变化范围,减小系统的Q值,使发射曲线趋于平坦.
经过大量试验,不断调整匹配网络的参数,最终得电感的数值和理论有一定的偏差,可能的原因有:不同换能器的参数和谐振点有所不同.换能器加长电缆后引起的频率飘移和阻抗变化等.
匹配后最终得到的换能器的发射响应如图4所示,曲线相对比较平坦,发射声源级基本能够满足系统要求.
此发射机现已被某水声导航定位系统采用.
参考文献
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