发射换能器自适应瞬态抑制方法

路及其参数未知时，通过最小二乘法自适应地求解消影脉冲，用来控制发射信号，抑制换能器的输出瞬态响应 的影响，从而实现窄带换能器发射宽带信号的目的。仿真计算表明该方法可以很好地抑制瞬态响应对发射波形 的影响。 关键词瞬态响应瞬态抑制自适应
Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
五（０） 五（１）
Ｖｓ（ｉ）＝ｓ（ｉ－１）一Ｊ（ｆ），
（１２）
Ｖ２ｓ（ｉ）＝Ｖｓ（ｉ—１）一Ｖｓ（Ｏ＝ｓ（／一１）一２ｓ（Ｏ＋ｓ（ｉ＋１）
办（Ｍ）ｈ（Ｍ－１）…而（一（ＮＭ－１））
于是有
一２
ｌ
（１３）
Ｖ２ｓ（１） Ｖ２ｓ（２、 Ｒｈ幅度相等、符号相反，
１
—２
ｌ
ｌ
（１）
１
一２
（２）
Ｒｈ＝一Ｈ・最．
（６）
２所不为片ｊ自适应虽小二乘法求得的脉宽为
ＡＴ＝０
５ｔｏ的消影脉冲及其响应，其最大幅度
为Ｃ－３ １９。图３所示为当电压激励信号为两码
信号进行瞬态抑制的输出结果，信号质量得到进
一步改善。
元的编码调相信号时，换能器的瞬态抑制结果． 从图中可虬看到，无论在信号的前冶、后沿还是 倒相点附近，换能器的瞬态响应得到了很好的抑
并使之等于零，ａＪ（Ｓ，，名）／溉＝０，得
２ＱＴＱ§ｘ一２２／－／ＴＲ＋２Ｍ－／Ｔ Ｈ§ｘ＝Ｑ，
（１０） 从而有
其中尺是Ｍ×１维的观测输出向量，
Ｒ＝［ｒ（０），（１）…ｒ（Ｍ－１）］１，（３）
Ｓ是Ｎ×１维的输入向量，
ＨＲｒＨ１一）ＱｒＱ Ｑ）叫。 最＝（１日＋ｉＱｌ 受＝（ｒ日＋ｉｌ
（４）
几
，（１１） （１１）
响应为％Ｏ），那么瞬态抑制方案的核心思想是： 求一输入脉冲ｓ（ｆ），使得它的输出，．（ｆ）和％（ｆ）
‘，（金，兄）＝｜Ｉ照１１２＋五（卜碱『＿ｃ），
（９） 式中名称为拉格朗曰乘子。 将所构造的性能指标函数对Ｓ，求偏导数，
的幅度大小相等、符号相反，即ｒａｔ）＝－ｒ（ｔ）。
把（１）式离散化，并用矩阵的形式表示，可 得到系统的测量方程 Ｒ＝Ｈ・Ｓ， （２）
ｌ 一２ １ ｌ —２
Ｖ２ｓ（Ｎ） ＨｒＲ＝ＨｒＨ・Ｓｘ
（Ⅳ）
ｊＳ，＝饵ｒ日）一１Ｈ ７’Ｒ
或者写作
当换能器的参数未知时，Ｓ，则不能直接得 到，而是需要通过间接估计得到，即先通过测量 估计系统矩阵日，然后在日已知时，再用有约
Ｖ２鼠＝鲤，
种程度的平滑。
（１５）
这里Ｑ是一平滑矩阵，它可使信号矢量得到某
现在还需调节拉格朗日乘子名，使得Ｓ。满
２自适应最小二乘法求消影脉冲
假设有一个未知的换能器系统，它的冲激响
应函数为ｈ（ｔ），那么对于任一输入脉冲Ｊ（ｆ）， 系统的输出响应，（ｆ）可表示为输入脉冲和冲激
响应函数的卷积：
，（ｆ）＝ｓ（ｆ）木乃（ｆ），
（１）
第４期
张建兰等：发射换能器自适应瞬态抑制方法
７
对于一个正弦激励脉冲，假设它的后沿瞬态
构造性能指标函数
号。
（１６）计算０卅１２，直到（１７）式满足为止，最后把找
到的Ｌ值代入（１１）式．就得到有约束的最小二
乘估计
３计算机仿真计算
图ｌ所示为个凹筒型弯张抉能器的等效 电路，圈中同时标出了元件参数值＋这些参数用 来模拟换能器系统。当换能器的等效电路参数 未知时，无法解析地给出消影脉冲的具体表达
式，这时需要借助自适应控制理论，应用晟小
１引言
窄带换能器发射带宽较宽的编码调相信号 时由于换能器的瞬态效应使得信号的前后沿及 跳相点附近的波形产生严重畸变，所发射的声信 号与我们的期望相差甚大。就目前的技术水平而 言，很难从制造商处获得宽带与低频兼得并同时 兼顾体积与功率问题的理想换能器。如何利用易 得的窄带换能器进行宽带发射成为研究热点。窄 带换能器的宽带发射方法很多，如状态切换换能 器、电声负反馈、网络匹配ｕ一’及瞬态抑制旧“’副。 其中瞬态抑制方法从信号控制出发，通过在激励 信号中叠加即消影脉冲来抑制瞬态响应，保留稳 态响应，是一种比较新颖的方法，应用潜力较大。 文献５在换能器的等效电路结构及其参数均为 确知的情况下，从分析换能器受迫振动的冲激响 应出发，给出了利用不同类型的消影脉冲抑制换 能器瞬态响应的方案。而当换能器的等效电路及 其参数未知时，消影脉冲的获得则需要借助自适 应控制的方法。本文讨论如何根据激励脉冲的后 沿瞬态响应，利用自适应最ｄｘ－乘法求得抑制正 弦脉冲后沿瞬态响应的消影脉冲。该消影脉冲用 于编码调相信号的仿真计算结果表明这种自适 应方法是可行并有效的。
假设式（２）为已知的测量方程，Ｑ是最的某 个线性算子，并令最表示对最的估计，要求在
足约束条件（８）式。定义残差
Ｆ＝Ｒ一厶硗＝尺一Ｈ（ＨＴＨ＋专ＱｒＱ）一矿Ｒ，
，ｐ
刊编堪燕‰日‰
（１６）
如果约束条件（８）式被满足，则表明最＝最，
声
学
技
术
２００８每
０叫１２ ２ｃ，，实际上只能做到
ｓｘ＝（Ｈ７日＋Ｑ’Ｑ／ｋ）“疗７Ｒ
ｆ１８）
㈣＝ｃ＋ｇ，
式中口是一小量，称为准确度因子。 可以用迭代法找出满足（１７）式得五。首先指 定一个初值＾．然后按照（１Ｉ）式计算鼠，按照
将Ｓ．叠加到驱动电压信号的适当位置．如
信号的起点、结束点以及各跳相点（须同时注意
其正负号的取值），在换能器的输出端即可获得 经过瞬态抑制的、波形质量明显提高的输出信
比较图２～图８可知，当消影脉冲的脉宽减 小时，其幅度会相应增加，信号的发射功率有所
下降，但是消影效果会更好一些。
：。
～
・ ∞
…
１ｌ
ｗ ∞ ∞ ＊
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Ⅲ＇Ｏ
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＿５ ∞ Ｈ～｛■＃）
ｊ
∞
＊
圈２自适应控制消影肺冲（脉宽△，＝Ｏ ５Ｚ （ａ）消影脉冲；（ｂ）消膨脉冲的响应
号。
参考文献 Ｉ】］高女赋，曾婿．李海峰等＆电陶瓷发射换能器的
Ｂｕｔ，洲ｏｒｔｈ匹配定理，声学学报．２００｛Ｉ，３１Ｈ）：２９７－３０４
【２］高天赋．曾鹉，彭太勇等Ⅸ电陶瓷换能＃宽带匹配 特性分析．声学学报．２０＿０７；３２口）：町－１０２
【３】ＪｃＩ＇ｉｑｕ咖，“Ｍｅｔｈｏｄ
“ｐｐ”ｓｓｌｏｎ １２０３—１２１３
ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎｌａｎ ＧＡＯ ＴｉａｌｌｆＩＩ ＺＥＮＧ Ｊｕａｎ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０）
ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂｙ
图３瞬态抑制（消影脉冲脉宽△ｒ＝０．ＳＴ，） （ａ）激励信号：（ｂ）束消肛输出；（ｅｌ消影后输山
第４期
张建兰等发射换能器自适应瞬态抻制＾法
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图４自适应控制消影脉冲（脉宽Ｔ＝０ 啦）消影脉冲：０）消影脉冲的响应
３ｔ
闰５瞬态抑制（消影脉冲脉宽Ｔ＝０ ５￡）
１９９２
ｆｏｒ
Ｉ：Ｔｈｅｏｖｙ’：Ｊ
ＡⅢＳｏｃ
ｍｍｓｄｕ阿口ａｎｓｉｅｎｔ
Ａｍ ９２，
Ｈ】Ｊｃ Ｐｉｑｕｅｔｔｃ，“Ｍｅｔｈｏｄ
ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ １２１４－１２２１
ｆｏｒ
ｎａｎｑｕｃｅｒ
ｔｒａｎｓｉｅｎｔ
９２，
Ｉ＝Ｅｘ坤ｎｍｅｎｔ＿．Ｊ
１９９２
Ａｔｏｌｌ妇Ａｍ
【５】张建兰，高天味，曾娟荨．压电陶瓷旋射挠能器的瞬态 抑制．声学学报，２００７．３２（４）：２９５－３０３
习
图１换能器等效电路
二乘法数值地估计出消影脉冲只。
假设驱动电压信号所填充的正弦波的角频
（接左）制．信号质量最著提高。图４所示为用自 适应虽小二乘法求得的脉宽为△ｒ＝Ｏ ３Ｌ的消 影脉冲段其响应，消影脉冲的最人幅度为
Ｃ＝３ ９３。图５所示为利用该消影脉冲对编码谓相
率为ｍ＝５０５８弧度虎Ｉ，周期五＝ｏ００１２秒。图
（日激励信号：ｍ来消髟输出；（ｃ】消影后输出
４总结 当换能器的等效电路及其参数未知时，借助
自适应控制的理论，利用自适wk.baidu.com最小二乘法数值 地获得了能够有效抑制换能器瞬态响应的消影 脉冲。该消影脉冲用于编码调相信号的仿真计算
结果表明这种自适应方法可以极大地改善信号
波形，使得窄带换能器能够发射高质量的宽带信
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ
ｓｉｇｎａｌｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｅｄｅｓｔａｌ ｐｕｌｓｅｓ ａｂｓｔａｉｎｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ＬＭＳ ｗｉｔｈｏｍ ｔｈｅ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ
第２７卷第４期 ２００８年８月
声学技术
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ
Ｖ０１．２７，Ｎｏ．４ Ｐｔ．２
Ａｕｇ．，２００８
发射换能器自适应瞬态抑制方法
张建兰高天赋曾娟
（中国科学院声学研究所北京１００１９０）
摘要
本文提出了一种针对压电陶瓷发射换能器的瞬态响应的自适应抑制方法。该方法可以在换能器的等效电
ａ
ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ
ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．，ｔｈｅ
ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
ａ
ｃａｎ
ｂｅ
ｊｕｓｔ
ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ，ｔｈｅｒｅｂｙ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｕｓｉｎｇ
ａｒｅ
ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ
ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｒａｄｉａｔｃｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｗａｆｅｒ
ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ａｄａｐｔｉｖｅ
，
Ｓ＝［Ｊ（Ｏ）ｓ（１）…ｓ（Ｎ－１）］１，
日是ＭＸＮ维的系统矩阵，
厅（０）ｈ（－１） 五（１）
Ｈ＝ 办（２） …
… …
如果我们希望Ｓ，的各分量比较平滑，这时
厅（一（Ｎ－１）） 办（一（Ｎ一２）） 办（一（Ｎ－３））
可以把最的二阶差分的能量压到最小，由（４）式
得到ｓ（ｆ）的一阶差分Ｖｓ（ｉ）与二阶差分Ｖ２ｓ（ｆ），