一种宽带水声换能器匹配方法的研究
一种宽带高灵敏水声换能器的有限元分析
一种宽带高灵敏水声换能器的有限元分析
吴萌萌;夏丽莉;王宏伟;魏彤
【期刊名称】《北京信息科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(39)1
【摘要】针对声呐系统中微型目标探测与水下定位等应用,设计了一种宽带高灵敏度水声换能器。
采用双金属板压电陶瓷柱阵列材料作为换能器敏感元件,以空气代
替聚合物,并在压电陶瓷柱阵列上下表面粘接金属板,改善了材料的有效机电耦合系数,提高了换能器灵敏度;通过不同厚度敏感元件嵌套式叠加,拓展了换能器工作带宽。
理论分析了双金属板压电陶瓷柱阵列材料的谐振频率;利用有限元仿真确定了敏感
元件的尺寸参数与材料选择,并对由该结构敏感元件组成的换能器进行了水中仿真
测试。
结果表明,换能器工作带宽达到约80 kHz,最大发送电压响应为188.6 dB,-3 dB带宽约为74 kHz,最大接收灵敏度为-173.9 dB。
与同尺寸的纯压电陶瓷相比,
该换能器的接收灵敏度和带宽都得到有效改善。
【总页数】8页(P14-20)
【作者】吴萌萌;夏丽莉;王宏伟;魏彤
【作者单位】北京信息科技大学理学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN384
【相关文献】
1.一种多模宽带水声换能器设计
2.一种宽带水声换能器匹配方法的研究
3.一种高频宽带水声换能器的研制
4.罗氏电化学发光检测法与化学发光法检测泌乳素的比较
5.宽带高灵敏水声换能器的研究
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基于遗传算法在水声宽带匹配中的优化
基于遗传算法在水声宽带匹配中的优化何龙富;陈敏;李加鑫;宋业强【摘要】文中介绍了遗传算法以及遗传算法在水声宽带换能器匹配中的优化设计,本实验在基于实频法设计上尝试采用了具有并行性和全局搜索性的遗传算法优化.水声换能器采用ZT40-16,匹配后得到的器件匹配参数通过实验测试.最后实验表明,虽然匹配后阻抗没有很明显变化,但相位却变化巨大,未加匹配前相位角度的变化范围从-90°至-30°之间,而加了匹配之后变化的范围变小,尤其在20~60 kHz之间这段变化范围仅从-10°到10°,匹配效果较为理想.%This paper describes the design of genetic algorithm optimization and genetic algorithm in broadband underwater acoustic transducers matching. This experiment based on methods of real frequency adopted genetic algorithm optimization with parallelism and global searching capability. Using ZT40-16 as underwater acoustic transducers , device matching parameters obtained by matching the experimental test. Finally, experimental results show that although there is no obvious changes of impedance matching, but the phase change was enormous. Range not added before phase matching angle from-90 ° to-30 ° , and the range of phase becomes small after the match, in particular in the range 20~60 kHz change only-10 ° to 10 ° . The effect is more ideal match.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2017(025)002【总页数】4页(P1-4)【关键词】遗传算法;实频法;宽带阻抗匹配;水声换能器【作者】何龙富;陈敏;李加鑫;宋业强【作者单位】电子科技大学航空航天学院,四川成都 611731;电子科技大学航空航天学院,四川成都 611731;电子科技大学航空航天学院,四川成都 611731;电子科技大学航空航天学院,四川成都 611731【正文语种】中文【中图分类】TN929.3伴随现代声呐技术的快速发展，水声发射机发射信号的带宽越来越宽，这使得水声宽带匹配技术在宽带水声发射中的要求也变得越来越高。
一种宽带水声换能器匹配方法的研究
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， 换 能 器 的 输 入 阻 抗 ．由 最 大 输 出 功 率 条 件 知 ， 佳 的 匹 配 条 件 是 是 最
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维普资讯
枣 庄 学院 学 报
２０ ０ ７年 第 ５期
匹配 网络 一 般 要起 到 的作 用 有 ： 调 频 ： 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 ， 其 输 入 相 角 即 使 减 小 ， 而 减 小 功 率 传输 中 的无 功 损 耗 ， 高转 换 效 率 ； 从 提 变 阻 ： 变换 换 能 器 的有 功 电阻 ， 之 与功 率 放 大 器 的输 出 电 阻 一 致 ， 而 使 换 能 器 即 使 从 获得 最 大 的输 出功 率 ， 般 可 通 过 变 压 器实 现 ； 一 滤 波 ： 于 Ｄ类 功 放 属 于 开 关 型 功放 ， 波信 号 中 含有 大 量 谐 波 成 分 ， 理 设 计 匹配 由 方 合 网络 可 滤掉 多余 的频 率 成 分 ， 轻 功 放 负 担 ， 高 转 换 效 率 ． 减 提 总 体 上 讲 ， 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 要 难 的 ， 于功 率 放 大 器 的最 大输 出功 率 是 一 定 的 ， 它 的 输 出 电压 确 定 后 ， 输 出 阻抗 也 由 当 其 就 确 定 了 ， 水 声 换 能 器 在 水 中 的 阻 抗 并 非 恒 定 值 ， 是 频 率 的 函 数 ， 频 率 的 改 变 而 变 而 而 随 化 很 大 ． 果 不 能 实 现 功 率 放 大 器 和 水 声 换 能 器 的 良好 阻 抗 匹 配 ， 会 导 致 功 放 的 严 重 如 就 失 配 ， 使 功 率 管 发 热 ， 备 不 能 正 常 工 作 ， 放 的输 出功 率 无 法 保 证 ， 以 匹 配 目的就 致 设 功 所 是要 对换 能 器 进 行 阻抗 变换 ， 其 在 较 宽 的工 作 频 带 内 有较 为恒 定 的输 出功 率 ． 使
一种水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置[发明专利]
![一种水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e7fc83cf0722192e4436f6d1.png)
专利名称：一种水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置专利类型：发明专利
发明人：许肖梅,陈友淦,雷开卓,张群飞,黄建国,陶毅,童峰
申请号：CN200810071532.9
申请日：20080804
公开号：CN101335573A
公开日：
20081231
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种水声信号发射机宽带自适应匹配方法及其装置，涉及一种水声信号发射系统。
提供一种水声信号发射机宽带自适应匹配装置及其自适应匹配方法。
自适应匹配装置设有匹配网络和数字信号处理器。
1.测量待发射换能器特性参数，确定工作频段：2.构建宽带自适应匹配水声发射系统；3.由数字信号处理器的发射信号参数提取模块采集信号发生器的待发射信号，分析特性参数，输入发射换能器参数分析模块；4.确定分频段匹配工作方式；5.产生相应的控制信号送至匹配网络；6.发射水声信号，实现最佳发射响应；7.改变输入信号频段或改变发射换能器，重复步骤3～6，完成同一发射换能器或不同发射换能器全频段最大功率、最高效率和最大平坦响应的水声信号发射任务。
申请人：厦门大学
地址：361005 福建省厦门市思明南路422号
国籍：CN
代理机构：厦门南强之路专利事务所
代理人：马应森
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水声宽带换能器匹配技术研究的开题报告
水声宽带换能器匹配技术研究的开题报告
开题报告：水声宽带换能器匹配技术研究
1. 研究背景
水声技术在海洋勘探、海底通信等领域有着广泛的应用，而换能器作为水声传输中的核心组件，直接影响到传输效率和信号质量。
然而，现有的水声换能器在不同频段下的效率和灵敏度存在明显的差异，因此对于不同频段下的水声传输无法实现充分的利用。
为此，本研究拟通过探讨水声宽带换能器的设计与制造，实现在不同频段下的匹配传输。
2. 研究目的
本研究旨在探究水声宽带换能器的制造与设计方法，解决现有水声换能器在不同频段下的性能不足的问题，针对不同频率下的水声信号设计换能器的传感面积和特征阻抗，进而实现水声信号在不同频段下的高效传输，为海洋探测与通信等领域提供更加优质的解决方案。
3. 研究方法
本研究将采取实验和仿真相结合的方法，通过建立宽带水声换能器模型，模拟不同频率下的换能器性能及其与水声信号的耦合特性；通过调整传感面积和特征阻抗来优化换能器的性能，达到在不同频段下的匹配传输。
4. 研究内容
（1）水声换能器原理研究，包括水声换能器的物理性质、传感面积和特征阻抗等基本概念。
（2）宽带水声换能器设计研究，针对不同频段下的水声信号设计合适的传感面积和特征阻抗，进而实现宽带换能器的匹配传输。
（3）宽带水声换能器制造研究，采用工业标准材料和加工工艺，对宽带水声换能器进行制造和实验验证，得出宽带水声换能器的传输性能及效果。
5. 研究意义
本研究通过对水声宽带换能器的研究实现在不同频段下的匹配传输，进而提升水声信号传输效率和信号质量，为海洋勘探、海底通信等领域提供有力支持。
此外，研究结果还可以为水声宽带换能器的研究提供新思路和实验数据。
压电水声换能器宽带匹配特性研究
ＺＨＯＵ Ｙｕ ，ＴＵ Ｑｉ－ｊｉｅ ，ＹＡ ＮＧ Ｒｏｎｇ－ｙａｏ ，ｒＩ１ＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｓｈｅｎｇ
（１．ＴｈｅＴ ｈ ｉｒｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｍｔ＃ｕ￣ｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ ；２．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ＡｃｏｕｓｔｉｃＡｎｔａｇｏｎｉｚｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃ ｈ ｉｎａ；３．ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｈｅｉｌｏｎｇｆｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
制作 了一款球形换能器 ，采用串联 电感进行调谐匹配 ，并测试调谐匹配前后的水中 电声性能 ，对 比匹配前后换能器
性能的差异 。结果表明 ，测试结果和仿真计算吻合 ，运用多物理场仿真计算手段对于预测分析水声换能器 电声性能
具 有 较 好 的 指 导 意 义 。
关 键 词 ：宽 带 匹 配 ； 多物 理场 ；压 电水 声 换 能 器
中图分类号 ：ＴＢ５５６
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０００．３６３０（２０１８）．０３．０２８６．０６
ＤＯＩ编码 ：１０．１６３００￣．ｃｎｋｉ．１０００—３６３０．２０１８．０３．０１７
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｎ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｍ ａｔｃｈｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ Ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
０ 引 言
宽 带 水 声 换 能 器 在 水 声 应 用 中 具 有 重 要 的意 义 ，尤其 是在 水声通 信 中 ，宽 带换 能器不 局 限于单 频 工作 ，还可 以线 性调 频工作 ，提 高信 号 的传 输速 率 、提 高通信 的可 靠性 和保 密性 、降低 误码 率 。通 常 利用 多模态 耦 合 、匹配层 材料 、混合 激励 、电学 匹配等 技术 提高 换能 器 的工作 带宽 。电学 匹配技 术 主 要是 利用 电感 、电容组 成 的变阻 调谐 匹配 网络 ， 一 方面 实现 换 能器 与发射 机 的阻抗 匹配 ，保 证换 能
一种宽带水声换能器匹配方法的研究_闵祥国
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 .2007Vo.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)05-0031-031 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 oftransducer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*1j X C 0R 1+1j X C 0=R 11+X 2C 20R 21+j (X L 串-X R 21C 01+X 2C 20R 21)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R0=R11+X2C2R21X0=X L串-X R21C1+X2C2R21=0计算得到串联电感的值为:L 串=X R21C1+X2C2R21在实际工程应用中,换能器给定的本身的参数R1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,X2C20R21>>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:Z1=[R11+X2C2R21+j(X L串-X R21C1+X2C2R21)]*j X L并R11+X2C2R21+j(X L串-X R21C1+X2C2R21)+j X L并同样由于X2C20R21>>1,简化上式,设X=1X2C2R1,令虚部为0,得到:L 并=(1X2C-L串)+X2X2(1X C-L串)根据换能器给定的本身的参数R1,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[1]林书玉.超声换能器的原理及设计[M].北京:科学出版社,2004,244-258.[2]吴运发.水声宽带换能器匹配技术的研究[J].声学技术,2000,19(2):87-89.[3]郭建中,林书玉.压电换能器电端匹配电路的优化[J].测控技术,2004,23(8):73-75.[4]鲍喜善.压电换能器的动态匹配[J].应用声学,1998,17(2):16-20.#33#。
基于ADS水声通信换能器的宽带实频匹配
关键词 ：Ａ Ｄ Ｓ ；水声通信 ；换能器；宽带匹配；实频技术 中图分 类号 ：Ｔ Ｎ ９ ２ ９ 文献标 志码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ ０ ２ — ０ ８ ０ ２ （ ２ ０ １ ７ ） 一 ０ ２ — ０ ２ １ ０ — ０ ５
基于 Ａ Ｄ Ｓ水声通信换能器的宽带实频匹配
金 松健 ，张福洪
（ 杭州 电子科技大学 ，浙 江 杭州 ３ １ ０ ０ １ ８）
采 摘Biblioteka 要 ：换 能器 的 宽 带 匹配技 术 是 水 声通 信发 射 机 系统设 计 的 关键 一 环 。 匹配 良好 的 电路 ，能有
效减少电路的功率损耗 ，提高 负载功率，同时还能有效扩展 工作 带宽。传统的宽带 匹配技 术基 于 的理论通常需要 大量的公式计算 ，后期引入计算机辅助设计 （ Ｃ Ａ Ｄ），但基于 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿真的实 频技术也需要设计 出一个有效且 高效的算法，而这通常需要 消耗大量的时间与精力。利用 Ａ Ｄ Ｓ 软 件 中的一 个 ＭＡ ＣＨ 匹配模 块 ，创 造 性地 对其 添加 一 个前 置 带通 滤 波器 ，可对 实测 换 能 器阻抗特 性 ｓ参数 进行 实频 匹配 。该过程 全 程 由计 算机计 算 完成 ，后期 对 电抗 元 器件 进行 调谐 ，可 以达到较 为
Ｂｒ ｏ ａ ｄ ｂ ａ ｎ ｄ Ｒｅ ａ ｌ － ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎｃ ｙ Ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ Ａｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ
ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＡＤＳ
一种声学换能器改进实频数据宽带匹配算法
第9卷第3期2020年5月网络新媒体技术Vol.9No.3May 2020一种声学换能器改进实频数据宽带匹配算法*周跃涛1，2，3黄海宁1，2（1中国科学院声学研究所北京1001902中国科学院先进水下信息技术重点实验室北京1001903中国科学院大学北京100190）摘要：提出一种对声学换能器进行宽带匹配设计的改进实频数据优化算法。
该算法避免了繁琐的数学运算，并有效降低了优化过程的非线性度，提高了优化的效率。
在对该算法进行理论分析的基础上，举例说明了经过匹配之后，声学换能器的工作带宽明显拓宽，功率增益也明显提高。
关键词：声学换能器，宽带匹配，优化算法，实频数据Improved Ｒeal Frequency Algorithm based for BroadbandMatching of Acoustic Emission TransducerZHOU Yuetao 1，2，HUANG Haining 1（1Institute of Acoustic ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing ，100190，China ，2Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Underwater Acoustic Signal Processing ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing ，100190，China ，3University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing ，100190，China ）Abstract ：An improved Ｒeal Frequency data optimization algorithm for broadband matching design of acoustic transducers is presented in this paper ，which avoids tedious mathematical operations ，and effectively reduces the non －linearity of the optimization process and improves the optimization efficiency．On the basis of theoretical analysis of the algorithm ，an example is given to illustrate that after matching ，the working bandwidth of the acoustic transducer is obviously broadened and the power gain is improved．Keywords ：Acoustic transducer ，Broadband matching ，Optimization algorithm ，Ｒeal frequency data本文于2019－01－04收到。
水声功放设计及换能器匹配技术研究
感谢观看
（3）设计匹配网络：根据匹配元件的特性，设计出能够实现电阻抗匹配的 网络。
（4）仿真和测试：通过仿真和测试来验证设计的正确性，并对匹配网络进 行调整和优化。
三、结论
宽带超声换能器的电阻抗匹配网络设计是提高其性能的关键。通过对源和负 载的电阻抗进行分析，选择合适的匹配元件，并设计出能够实现电阻抗匹配的网 络，能够有效地提高声源到换能器的能量传递效率。通过仿真和测试，可以验证 设计的正确性并进行调整和优化。未来的研究应致力于探索更高效的匹配网络设 计和优化方法，以进一步提高宽带超声换能器的性能和应用范围。
3、深海钻探：深海钻探过程中，水声换能器和换能器阵技术可用于传递控 制信号和收集钻探数据，提高深海钻探的安全性和效率。
参考内容二
随着科技的发展，宽带超声换能器在许多领域的应用越来越广泛，如无损检 测、医疗诊断、材料科学等。然而，宽带超声换能器的性能受到电阻抗匹配的限 制。为了提高超声换能器的性能，需要进行电阻抗匹配网络的设计。本次演示将 探讨宽带超声换能器电阻抗匹配网络的设计方法。
设计电阻抗匹配网络的目标是将源的电阻抗转换为目标电阻抗，从而最大限 度地提高能量的传递效率。在宽带超声换能器中，目标电阻抗通常是由换能器的 特性决定的。
2、设计步骤
（1）分析源和负载的电阻抗：首先需要分析声源和换能器的电阻抗，以确 ：根据源和负载的电阻抗分析结果，选择合适的匹配元 件，如电感、电容等。
换能器匹配技术主要涉及到阻抗匹配和功率匹配两个方面。阻抗匹配主要通 过调节电阻、电感、电容等元件的值，使得输入信号能够最大程度地传输到换能 器上，同时防止信号反射；功率匹配主要是确保换能器的输入功率能够满足其工 作需求，同时防止过载或欠载。
实际应用中，换能器匹配技术常常面临的问题包括信号衰减、噪声干扰、通 信延迟等。这些问题可能来源于复杂的海洋环境、设备的物理限制、信号处理方 法等因素。因此，针对这些问题进行深入研究，提出有效的解决方案，是提高水 下设备性能的关键。
水声换能器功放与匹配电路的设计
Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 93【关键词】功放 匹配电路 阻抗 相位1 水声功放概述水声功放不论是在军事领域还是在民用领域，都发挥着极其重要的作用。
可广泛应用于水声系统测试、海洋资源探测、地形地貌扫描、渔业探测、航道规划以及码头垃圾清理等民用技术领域。
水声功放的最大作用就是可以将信号功率放大，驱动水声换能器将电信号转换为声信号，与此同时向水里面辐射出充足能量的声信号。
伴随科技的持续发展与进步，功放已经从一开始的电子管功放逐步发展到二代晶体管功放，接着发展到了场效应晶体管功放，最终发展到了数字功放，数字功放还被叫作D 类功率放大器。
在这之中，前面三个功放属于线性模拟功放，而后面一个功放属于数字开关功放。
2 D类功放的基本原理简单地说，所谓的D 类功放实际上还被称之为数字功率放大器，这种功放是由三个部分构成的，PWM 调制对比，输出滤波与功率放大。
好的D 类功率放大器效率能够达到百分之百，在现实运用过程中可达到90%的效率，而AB 类功放效率就相对比较低了。
（1）调制器，仅仅需采用一只运放组成比较器就能够做好。
（2）D 类功率放大器，是一个脉冲控制大电流开关放大器，将比较器输出的PWM 信号转换为大电流与高电压大功率PWM 信号。
（3）需将大功率PWM 波形里面的声音信息恢复，就需要采用低通滤波器。
可是，因为这个时候电流较大，RC 结构低通滤波器电阻会消耗能源，无法使用，需要运用LC 低通滤波器。
3 设计水声换能器匹配电路分析3.1 匹配方法通常而言，水声换能器谐振频率范畴以内，换能器等效模型可通过等效电路来展示：并联电路的构成是一个静态电容C2与串联支路。
其中串联支路就是通过一个动态电感L1、动态电阻RL 、动态电容C1所组和而成的。
倘若处在谐振频率的时候，动态电感与电容作用相互抵消，能够等效成一个动态电阻与静态水声换能器功放与匹配电路的设计文/王伟1 李锦华2电容并联构成。
宽带水声发射系统换能器分段匹配方法研究
ＣＨＥＮ ｕ— ａ ，ＸＵ ａ — ｉ Ｙｏ ｇ ｎ Ｘｉｏ ｍｅ ，ＬＥＩＫａ —ｈ ｏ ｉｚ ｕ ，ＨＵＡＮＧ ｉｎ—ｕｏ Ｊａ ｇ 。
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第 ３ ｌ卷 第 ３期 ２０ １０年 ３月
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学
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Ｖｏ ． ＮＯ ３ １ ３１ ．
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２ ０ ０１
宽 带水 声发 射 系 统换 能 器 分段 匹配 方 法 研 究
陈友 淦 ，许 肖梅 ，雷 开 卓 黄 建 国 ，
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根据换能器给定的本身的参数尺。，ｃｏ以及想要谐振的商工作频率∞和串联电感值 “，就可以得到谐振低频所需的并联电感“，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，ｏ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．
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：舻１ｚ－稳的发射响应曲线．
ＬＩＩＩ，一石匹１
这样就可以得到谐振高频所需的串联电感值“，大小约为１．５～３ｍＨ． 相对于低频段，随着频率的降低，串联电感“感抗减小，静态电容ｃｏ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ｋ，降低其容性，使匹配网络加换能器等
，龟，一［志矗州‰础州·础．一一蛊丧，小＋灿ｊｗＬ井并 效为纯阻性网络，此时：
由最佳匹配条件知：
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阂祥国一种宽带水声换能器匹配方法的研究
五＝础·一高２ Ｒｏ。ｆ忑琵２，，蕊２ｎ２ ＝ｏ
计算得到串联电感的值为：
山Ｒ；ｃｏ
ｒ
“·一Ｉ＋∞２ａＲ： 在实际工程应用中，换能器给定的本身的参数尺。约为几ｋｎ量级；Ｃｏ约为十几ｐＦ
量级，以及我们想要谐振的工作频率，约几十ｋＨｚ，∞２Ｇ２Ｒ：＞＞１，所以上式就可以简化 为：
出阻抗，一般为纯阻性，即ＸＯ＝０；Ｚ１＝Ｒｅ＋Ｊ弧，是换能器加匹配网络后的输入阻抗；Ｚ２
＝Ｒ２＋脾，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
肋＝月ｋ
Ｘ．０＝ｊｏ＝０
●■■笠舯量ｔ直∞瓢Ｅ稳配一一
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图１换能器等效电路
Ｆｉｇ．１ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
·３１·
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；
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
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．
Ｗ 搬
图３换能器简易等效电路
Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｐｌｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
图４发射源级曲线
Ｆｉｇ．４ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｔ 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．
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图２换能器发射灵敏度
Ｆｉｇ．２ Ｔｒａｎｓｍｉｔ ＳＬ ｏｆ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
一【收稿日期】２００７—０４—０５ 【作者简介】阂祥国（１９７９一），男，山东膝州人，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．
参考文献 ［１］林书玉．超声换能器的原理及设计［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４，２４４—２５８． ［２］吴运发．水声宽带换能器匹配技术的研究［Ｊ］．声学技术，２０００，１９（２）：８７—８９． ［３］郭建中，林书玉．压电换能器电端匹配电路的优化［Ｊ］．测控技术，２００４，２３（８）：７３—７５． ［４］鲍喜善．压电换能器的动态匹配［Ｊ］．应用声学，１９９８，１７（２）：１６—２０．
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－ｖ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ＣＯ是换能器的静态电容， Ｃ１、Ｌ１、Ｒ１分别是其动态电容、动态电感和动态电阻．ＺＯ＝ＲＯ＋ｊＸＯ，是功率放大器的输
２００７年ｌＯ月 第２４卷第５期
枣庄学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＡＯＺＨＵＡＮＧ ＵＮＩＶＥＢＳｎＹ
Ｏｃｔ．２００ｒ７ Ｖ０１．２４ Ｎ０．５
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、大功率永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
主要是利用其中的电容ｃｏ、电感￡·和Ｌ并对换能器的高、低频段进行阻抗补偿和电 压牢卜偿．
下面我们就对该匹配网络进行分析：
相对高频段，由于‰的值较大，ｊｗＬ的值比较大，电感‰相当于开路，此时的匹配网 络由串联电感￡·和静态电容ｃ０组成，则有：
Ｚ１；舭·４Ｒ－１—堆掣去
＝去＋ｊＲ１（＋ｊｗ瓦Ｌ１睾一患，
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． 、