利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源的製作方法

2023-05-19 07:17:56 2

專利名稱：利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種聲源，特別是涉及一種利用一個換能器同時發二個不同頻率的聲音的聲源。
背景技術：
體積小、頻率低、指向性好的聲源在許多方面很有用處，參量陣聲納的聲源就具有這些特性。在參量陣聲納設備中，要求發射二個頻率比較接近的原頻聲信號f1、f2。這二個原頻聲信號發射到水介質中後，由於水介質的非線性作用會產生合頻和差頻現象。由於合頻的頻率相對差頻的頻率要高出很多，會很快被介質吸收。而差頻由於介質對它的吸收比較少，所以，可以傳播比較遠的距離。因此，可以利用差頻作為探測信號來探測遠處的目標或類似的用途。這是參量陣聲納的基本原理。由此可見，首先要向水介質中發送二個聲信號f1、f2。
現有方法採用了兩個信號源分別產生兩個不同頻率f1和f2(例如文獻1用兩個換能器發送了兩個頻率1.93Mhz和2.22Mhz的聲波，見Nonlinear AcousticsBubble Sizing in Water，A.M.Sutin，E.J.Kim，S.W.YOON，and Didenkulov，14thISNA，Nonlinear Acoustics in Perspective，1996，Pp523-529；文獻2利用兩個揚聲器發出兩個頻率的聲波300Hz和392Hz。參見Nonlinear Acousticstechniques for Land Mine Detection，Murray S.Korman，USNAA，MD，USA，20402)。如圖1中所介紹的，現有方法將兩個信號源產生的兩個不同頻率的信號分別送到對應的線性功率放大器電路，經功率放大後加到對應的換能器上，經換能器將電功率轉換成聲功率發射到水或其他可傳聲的介質中，利用介質的非線性在介質中形成合頻和差頻。這樣形成的差頻在空間結構上有許多優點，在水下目標探測等方面的應用中受到歡迎。
由於參量陣聲納的轉換效率比較低，這就要求兩個原頻的聲功率比較大，一般要達到上千瓦甚至上萬瓦的功率。由圖1可以看出，現有方法採用的是線性功率放大器，所以，放大器自身的功耗很大。受散熱等因素的影響，大功率線性功率放大器的體積都很大，而且很重。按照圖1製作的可以同時產生兩個頻率的聲波的發射器的重量超過80公斤，機箱高達1.5米以上；而且只有一個固定波束。
隨著科學技術的進步和人們對勞動條件要求的提高，總是希望一些小型的、高效率的、節省能源的設備。現有的分別發射二個頻率聲波的方法在結構、體積、使用等方面存在難以克服的缺點首先是需要兩個換能器，參量陣換能器的波束開角一般要求比較窄，所以換能器的物理尺寸比較大；如果使用兩個換能器，體積就更大，也使得製造成本昂貴；而且現有方式要求發射機工作在線性狀態，發射機功耗自身很大，致使整機體積很大，使用不便，所以很難推廣使用。
一個調製信號中所具有的頻率為其載波頻率f0和被調製信號頻率fc的組合，該調製信號至少有下面三個頻率成分f0-fc、f0+fc、f0。本實用新型設計了一種信號，其頻率分量fc遠小於f0-fc和f0+fc。這樣就形成了二個頻率f1、f2，這裡f1＝f0-fc、f2＝f0+fc。將含有兩個頻率分量的信號經過功率放大後加在一個換能器上發出，在介質中就存在兩個頻率f1、f2。這兩個頻率就是參量陣聲納所需要的兩個原頻信號。

發明內容
本實用新型的目的是克服上述現有的分別發射二個頻率聲波的系統和方法存在的需要兩個換能器和兩套系統、換能器的物理尺寸比較大、成本昂貴等缺點，提供一種利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源，利用非規則信號中含有多種頻率成分的特點，用一個換能器同時發出二個不同頻率的聲音信號；進一步，讓功率發射單元的工作處於開關狀態，從而大大降低自身功耗，實現發射機的小型化，降低製造成本，提高效率。
本實用新型提供的利用同一換能器同時發射二種不同聲信號的聲源，如圖2所示，包括寬帶換能器7、控制器1、供電電源9、D類功率放大器5，其特徵在於，還包括一個存儲有含兩個頻率的信號波形數據的波形數據表存儲器3、地址發生器2；所述控制器1協調各部件同步工作，控制發生的聲信號的脈寬、每秒重複次數，輸出控制指令給地址發生器2和D類功率放大器5；所述地址發生器2輸出數據地址給波形數據表存儲器3，該波形數據存儲器3中的數據輸出到D類功率放大器5；所述D類功率放大5與寬帶換能器7電連接，為該寬帶換能器7提供足夠的電功率驅動；寬帶換能器7將由功率放大器提供的電功率轉換成聲功率並發射出去。
如圖4所示，該系統還包括一個驅動緩衝電路4，與D類功率放大器5電連接，用於向D類功率放大器5提供一定的功率驅動。
如圖4所示，該系統還包括一個匹配網絡6，與D類功率放大器5、寬帶換能器7電連接，用於D類功率放大器5和寬帶換能器7之間實現阻抗匹配；
如圖4所示，該系統還包括一個與控制器1電連接的USB/RS232接口8，用於對該系統的遠程控制；所述的波形數據表存儲器3是由非易失的存儲RAM組成，其中固化了按照本實用新型提供的方法生成的需要發射的含兩個頻率的信號波形數據，其存儲大小可以根據波形數據的數據量來確定，一般在4MBYTEs以上。
所述的D類功率放大器5採用常用的D類功率放大電路，只是由於這裡的電流很大，功率管的道通電阻要儘可能小；本實用新型與常用方法不同，僅要求一隻功率放大器。
所述的地址發生器2用常見的通用計數器電路組成；所述的控制器1為高速單片機或微控制器。
所述的供電電源9可以採用一般直流穩壓電源，也可以採用開關穩壓電源。
本實用新型與已有技術相比具有如下優點本實用新型的優點在於用單一信號源和同一換能器同時發出兩個不同頻率的聲信號，使參量陣聲納發射機製作成本大幅減少，大幅減小了發射機的體積和功耗，並易於實現聲束的相控、實現利用單一寬帶換能器同時發射大功率多個頻率成分的聲波的發射系統和方法。
對比圖1和圖2，可以看出現有方法需要兩個功率放大器，兩個換能器，而本實用新型只需要一個換能器和一個功率放大器，使得結構簡單。
另外由圖2和圖3知，本方法用的是數字工作方式，電路處在開關狀態，功率放大器自身幾乎不消耗能量，對散熱的要求很低，整機的體積可以做的很小，易於實現，能有效地降低參量陣聲納的製造成本，並容易實現對聲波束的相控，從而形成多波束髮射聲源，有明顯的技術優越性和一定的應用空間。相比之下，圖1所述的現有方法，功率放大器處在線性工作狀態，最為理想的自身功耗也要達到50％，實際還要高，而參量陣聲納的發射功率一般要達到數千瓦，由此可見線性功率放大器自身消耗的能量是很大的，必須要足夠的散熱條件，所以整機的體積一般都很大，造價也很高。


圖1是現有方法的電路工作原理框圖圖2是本實用新型的雙頻聲發射源組成框圖圖3形成數據波形表中數據的各波形信號結構圖圖4雙頻聲發射源電原理圖其中圖3中高電平為1，低電平為0，合成的波形就是波形數據表中存儲的數據結構。如果fa是原頻波形的n倍，在波形數據表中對應的連續為1的個數就是n個，然後就是n個0；而後是n個1，n個0，數據長度就是發射的聲波的長度。也可以只存儲一個完整的差頻周期的長度，在使用時由地址發生器在同一地址區間循環發生該段地址，直到達到需要的波形長度。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述。
實施例1製作一水下機器人用掩埋物探測聲納中的雙頻聲發射聲源，其原理框圖如圖4所示。包括控制器1採用ADUC841晶片，與24位地址發生器2、波形數據存儲器3、D類功率放大器5電連接，用於協調各部件同步工作，控制發生的聲信號的脈寬、每秒重複次數，輸出控制指令給地址發生器2和D類功率放大器5；24位地址發生器2，採用EPLD7128晶片，與波形數據表存儲器3電連接，用於輸出波形數據表的地址；波形數據表存儲器3，採用AMD29F100X8晶片，與驅動緩衝4電連接，用於存儲包含有需要發射的兩個頻率信號的波形數據，在地址發生器2的控制下向驅動緩衝4輸出波形速據序列，該數據的形成和存儲方法下面將詳細介紹；驅動緩衝器4，採用TPS2814晶片，與D類功率放大器5電連接，用於向D類功率放大器5提供一定的功率驅動；D類功率放大器5，採用FQA90N15晶片，與匹配網絡6電連接，用于波形數據的放大，為寬帶換能器7提供足夠的電功率驅動；匹配網絡6，用於D類功率放大器5和寬帶換能器7之間實現阻抗匹配；寬帶換能器7，與匹配網絡6電連接，用於由功率放大器提供的電功率轉換成聲功率並發射出去；供電電源9，採用開關電源，電壓為24V、12V、5V，用於提供晶片的電源和寬帶換能器7的電源；波形數據表存儲器3中存儲的是將要發射的波形轉換的波形數據，這些波形數據在系統運行前已經建立並存儲在波形數據表存儲器3中，其中波形數據表的建立及存儲步驟如下(1)選定波形數據表地址的更新頻率fa
將要發射的原頻f0＝(f1+f2)/2看作佔空比為1∶1的方波信號，地址發生器的地址更新頻率為fa，要求fa大於等於兩倍的f0(比如f0＝100kHz，fa至少為200kHz)，而且fa應該是f0的偶整數倍，即fa＝2f0，4f0，6f0，等；(2)形成數據表數據地址發生器的地址更新頻率fa選定之後，就可以將波形轉換成數據序列，該數據序列就是波形數據表中存儲的數據；具體形成方法是先形成原頻數據，而後再形成差頻數據，再將原頻數據和差頻數據邏輯相與，形成波形數據表中的數據。
原頻數據的形成方法是在數據表中順序寫入若干個1若干個0；1的個數為fa與f0的比例數，0的個數和1的個數相同。寫入的長度依據發射聲波的長度而定；原頻波形，差頻波形，合成後形成的波形數據表的圖形如圖3所示；(3)將形成的波形數據表中的數據寫入到波形表存儲器中波形表存儲器可由非易失的RAM構成，比如FlashRAM，EEPRAM等存儲器，將按照(2)中的方法建立的波形數據表文件寫入波形表存儲器，寫入的方法如同一般的FlashRAM一樣。
按照上述介紹的波形數據表中數據的形成方法，並將數據固化到非易失RAM中，完成先期的準備工作。其實，在實際使用中作為一套聲發射系統所需要發射的頻率基本上是在一定範圍內變化，所以這種數據波形表的製作可以儘可能覆蓋感興趣的頻率範圍。當然，這個波形數據表也可以使用一個數位訊號處理器或者一個可編程晶片(比如大容量的CPLD晶片)來實現。
在波形數據表中存儲的數據用圖形表示，形如圖3中的合成波形。這種波形的頻譜中除了有基頻外還有原頻與差頻的合頻分量f2和原頻與差頻的差頻分量f1。
假設波形數據存儲器3中已經按照上述方法固化了所需的波形數據表，該系統按照存儲在控制器1中的預定程序自主工作，發射聲波的工作過程可描述如下控制器1發出啟動發射信號給24位地址發生器2，同時發出信號給波形數據表存儲器3來控制信號的脈寬和每秒重複次數，同時給D類功率放大器5輸出一條允許發送的命令，D類功率放大器5準備工作(這有利於減少放大器的誤動作和降低系統功率消耗)；然後24位地址發生器2開始工作，它在控制器1提供的工作頻率(2MHz)下增加地址，也就是說它的數據更新率為2MHz；這個地址送到波形數據表存儲器3的地址總線，相應地址上的數據就會輸出到它的數據線上。該數據是0和1組成的序列，該序列直接送到處於開關工作狀態的D類功率放大器5，1使功率放大器正嚮導通，0則使功率放大器反嚮導通，，從而波形數據經D類功率放大器5後向寬帶換能器7輸出交變的電功率信號，寬帶換能器7將電能轉換成聲能發射出去。如此反覆發送數據序列直到達到所預定的波形數據的長度(聲波脈衝的寬度)，地址發生器2停止工作，控制器1命令D類功率放大器5進入關閉狀態。一次聲信號發送完成。到此，已完成用一個換能器同時向水或其它傳聲介質中發射兩個頻率的聲波的目的。
由於所有的器件都是工作在開關狀態，所以這裡的供電電源9採用開關電源，因為開關電源的效率比較高。供電電源向各個部件提供合適的電壓和電流。本系統共需要三種電壓24V，12V，5V。對電壓的穩定度要求不高，一般誤差在10％以內均可使用。
實施例2如圖4所示，該系統還包括一個與控制器1電連接的USB/RS232接口8；該系統可以通過USB/RS232接口8實現在遠程設備的控制下工作，遠程控制是在遠程設備按照本系統提供的控制指令的控制下發射聲波，其他要求如實施例1所述。
權利要求1.一種利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源，包括寬帶換能器(7)、控制器(1)、供電電源(9)、D類功率放大器(5)，其特徵在於，還包括一個存儲有含兩個頻率的信號波形數據的波形數據表存儲器(3)、地址發生器(2)；所述控制器(1)協調各部件同步工作，控制發生的聲信號的脈寬、每秒重複次數，輸出控制指令給地址發生器(2)和D類功率放大器(5)；所述地址發生器(2)輸出數據地址給波形數據表存儲器(3)；所述波形數據存儲起器(3)中的數據輸出到D類功率放大器(5)；所述D類功率放大器(5)與寬帶換能器(7)電連接，為該換能器提供足夠的電功率驅動；寬帶換能器(7)將由D類功率放大器(5)提供的電功率轉換成聲功率並發射出去。
2.按權利要求1所述的利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源，其特徵在於，還包括一個驅動緩衝電路(4)，與D類功率放大器(5)電連接，用於向D類功率放大器(5)提供一定的功率驅動。
3.按權利要求1所述的利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源，其特徵在於，還包括一個匹配網絡(6)，與D類功率放大器(5)、寬帶換能器(7)電連接，用於D類功率放大器(5)和寬帶換能器(7)之間實現阻抗匹配。
4.按權利要求1所述的利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源，其特徵在於，還包括一個與控制器1電連接的USB/RS232接口(8)，用於對該系統的遠程控制。
5.按權利要求1所述的利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源，其特徵在於，所述的波形數據表存儲器(3)是由非易失的存儲RAM組成，其存儲大小可以根據波形數據的數據量來確定。
6.按權利要求1所述的用一個換能器同時發射二個不同頻率的聲音的系統，其特徵在於，所述的地址發生器(2)用常見的通用計數器電路組成。
7.按權利要求1所述的用一個換能器同時發射二個不同頻率的聲音的系統，其特徵在於，所述的控制器(1)為高速單片機或微控制器。
專利摘要本實用新型涉及一種利用一個換能器同時發射二個不同頻率聲音的聲源，包括寬帶換能器、控制器、供電電源、D類功率放大器，還包括一個存儲有含兩個頻率的信號波形數據的波形數據表存儲器、地址發生器；控制器協調各部件同步工作，控制發生的聲信號的脈寬、每秒重複次數，輸出控制指令給地址發生器和D類功率放大器；地址發生器輸出數據地址給波形數據表存儲器；波形數據表存儲器中的數據輸出到D類功率放大器；D類功率放大器與寬帶換能器電連接，為該換能器提供足夠的電功率驅動；寬帶換能器將由D類功率放大器提供的電功率轉換成聲功率並發射出去。本實用新型具有結構簡單、體積小、功耗少、效率高的優點，可用於參量陣聲納設備。
文檔編號G01S7/52GK2755724SQ20042005878
公開日2006年2月1日 申請日期2004年12月17日 優先權日2004年12月17日
發明者王潤田, 華樂蓀 申請人:中國科學院聲學研究所