引 言
聲學參量陣(Parametric Acoustic Array)是利用介質(zhì)的非線性特性,，使用兩個沿同一方向傳播的高頻初始波在遠場中獲得差頻,、和頻及倍頻等的聲發(fā)射裝置,。根據(jù)介質(zhì)中聲吸收原理，吸收與信號頻率的平方成正比,，在聲波的傳播過程中,，和頻及倍頻等頻率較高的信號衰減很快,，經(jīng)過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號,。與常規(guī)換能器相比,，首先,，該差頻信號具有更好的指向性,；其次，該差頻信號幾乎沒有旁瓣,，避免了在淺海沉底或沉積物探測過程中由于邊界不均勻所帶來的干擾和信號處理的復雜性；第三,，差頻信號具有大于10 kHz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,，參量陣在水下探測、水下通信等領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50 m,；在國內(nèi)，中國科學院東海研究站研制成功的參量陣“堤防隱患監(jiān)測聲納”,，可以對江河湖底和海底沉積層進行探測識別或?qū)Φ谭罁p毀程度進行探測評估,。另外,，美國技術公司開發(fā)的參量揚聲器專利產(chǎn)品——極超音速揚聲器系統(tǒng)(Hypersonic Sound System,，HSS),，實現(xiàn)了聲音在空氣中的定向傳播,。
但是，目前參量陣技術并不成熟，沒有形成統(tǒng)一的國際標準或行業(yè)規(guī)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,，可以用來探測海底淺部底層結(jié)構(gòu),，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,，并與高頻時的波束角非常接近,，且沒有旁瓣,，因此其波束指向性好，具有較高的分辨率,。同時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行分類識別,。
1．2 換能器陣設計
此處的換能器指的是電聲換能器,，即用來實現(xiàn)電能和聲能之間能量相互轉(zhuǎn)換的器件。由于單個換能器的指向性不好(甚至沒有指向性),，而且單個換能器的發(fā)射功率也不大,。因此考慮使用基陣的方法,，即由若干個換能器按一定規(guī)律排成陣列,。這樣不但提高了發(fā)射功率,，而且通過基陣形成的波束，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,。同時隨著發(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(tǒng)的作用距離有所增加,，對單個換能器的指向性等要求也有所降低,，實現(xiàn)起來更加容易。
設計換能器陣時,，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(tǒng)采用9個圓形壓電陶瓷換能器組成3×3矩形基陣的形式來發(fā)射超聲信號,，并利用4個傳聲器來進行回波的接收,。如圖1所示,，其中1,，3，7及9號換能器構(gòu)成一個通道,，其余5個換能器構(gòu)成另一個通道。
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)射方式是指兩個原波頻率信號,，經(jīng)過線性相加以及功率放大后，同時激勵換能器陣中的所有陣元,；而雙通道發(fā)射方式是指兩個原波信號經(jīng)過功率放大后,，各自通過換能器陣中的某個通道來激勵相對應的陣元,。
相比較，單通道發(fā)射方式結(jié)構(gòu)比較簡單,，容易實現(xiàn)，但大功率輸出較困難,；而雙通道發(fā)射時,，其輸出功率較大,，但換能器陣元組合比較復雜,。本系統(tǒng)中9個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(diào)制信號同時接入換能器陣的兩個通道,。
2 聲參量陣測試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)設計
本文設計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示,，主要包括PC機(LabVIEW信號處理平臺)、功率放大電路,、換能器發(fā)射及接收陣,、信號接收電路及數(shù)據(jù)采集卡等結(jié)構(gòu),。其中，PC機主要是通過LabVIEW軟件完成對初始信號和高頻載波的產(chǎn)生,、信號失真預處理和接收信號的后續(xù)處理(包括信號的實時顯示,、頻譜分析等)；換能器發(fā)射和接收陣分別實現(xiàn)載波調(diào)制信號的發(fā)射和回波信號的接收,；功率放大電路用來提高載波調(diào)制信號的發(fā)射功率,；而信號接收電路則是對傳聲器接收到的回波信號進行處理，包括前端放大,、帶通濾波及末級放大等幾個處理環(huán)節(jié),。
2．1 信號處理
信號處理是本系統(tǒng)中關鍵部分之一，主要完成輸入信號的失真預處理和超聲載波的振幅調(diào)制,。信號處理部分的基本理論是,。Berktay遠場解決方案。
2．1．1 失真預處理
失真預處理的目的是增強信號的強度,，減少失真,，增強低頻等。1965年,， Berktay使用調(diào)制中包絡的概念為參量陣提出了一個更精確完整的解釋,，認為最終的解調(diào)信號將由這個包絡決定，即參量陣解調(diào)后的信號P2(t)與包絡E (t)平方對時間的兩次微分成正比,。根據(jù)Berktay遠場解決方案,，現(xiàn)有的預處理方法主要有三種：
第一種也是最初的預處理方法,，假設包絡為E(t)=1+mg(t)，其中m為調(diào)制因數(shù),，g(t)為音頻信號,。則有：
根據(jù)式(1)可以看到：在非線性作用下，信號的自解調(diào)能夠?qū)⒄扔诎j信號E(t)的調(diào)制信號Ps(t)解調(diào)出來,；但自解調(diào)過程中會伴隨二次諧波失真信號Pd(t)的產(chǎn)生,。
細觀式(1)可得，失真信號Pd(t)與m2成正比,，即減小m就可以減少失真,，但解調(diào)出來的信號Ps(t)也隨之減小，導致轉(zhuǎn)換效率降低,。因此就有了第二種預處理方法,，對包絡先積分兩次，然后再開方,，即：
很顯然,，單邊帶預處理方法對應產(chǎn)生純音頻信號時沒有失真，即沒有其他頻率成分產(chǎn)生,。
2．1．2 載波調(diào)制
載波調(diào)制的作用是將預處理過的信號與超聲載波信號進行振幅調(diào)制,，生成超聲載波調(diào)制信號。載波調(diào)制可分為雙邊帶(Double Sideband,，DSB)調(diào)制和單邊帶(Single Sideband,，SSB)調(diào)制等。在DSB調(diào)制中,，輸出信號的頻譜由位于載頻左右兩側(cè)的上下邊帶組成,，而且信號的上、下邊帶攜帶的調(diào)制信號信息完全一樣,；SSB調(diào)制就是選擇DSB調(diào)制中一個邊帶進行傳輸,，從而節(jié)省一半的發(fā)射功率。假設載波頻率為85 kHz,，音頻信號頻率為5 kHz,，則DSB和SSB調(diào)制示意圖如圖3所示。
輸入信號通過運放PA85后,，功率得到提高,，但輸出的電流較小。為了得到較高的輸出電流,，在PA85的輸出端接人由Q1,，Q2，Q3和Q4組成的互補對稱式放大器,，提升運放PA85的輸出電流,。另外,，二極管D1和D2構(gòu)成的保護電路，不但能限制PA85輸入差分電壓低于輸入晶體管基極一發(fā)射極的反向擊穿電壓,，而且還能起到限制輸入瞬時電流的作用,。
2．3 信號接收電路設計
信號接收電路主要包括前端放大電路、帶通濾波電路和末級放大電路,，并為換能器接收陣中的四個傳聲器提供電源,，如圖5所示。
前端放大電路采用低功耗,、高增益和高可靠性等優(yōu)點的LM324集成運放,。該電路實現(xiàn)四路回波接收信號的相加及其放大功能。帶通濾波器由高阻抗運算放大器 (TL082)和RC阻容元件構(gòu)成,，不但起到帶通濾波器的作用,，而且具有放大的功能。末級放大電路采用典型的反相放大電路的結(jié)構(gòu),，并通過調(diào)節(jié)電位器來改變電路的增益，使接收電路的輸出幅值滿足數(shù)據(jù)采集卡的輸入要求,。
3 系統(tǒng)LabVIEW軟件設計
基于LabVIEW開發(fā)工具的軟件系統(tǒng)的前面板如圖6所示,，可以即時顯示輸入信號、SSB輸出信號以及接收回來的信號,，并保存數(shù)據(jù)供進一步信號處理,，如頻譜分析等。
程序設計中需要注意的是：
由于信號發(fā)射后,，碰到障礙物將反射回來,，因此每次發(fā)射信號的持續(xù)時間不能太長，否則接收的信號與發(fā)射的信號會發(fā)生混疊,，相互干擾,，具體持續(xù)時間可根據(jù)換能器發(fā)射陣與障礙物之間的距離來確定；
實驗過程中,，發(fā)射的超聲的功率比較大,，實驗過程不能持續(xù)太長，否則對人身體產(chǎn)生影響,，因此每次接收回來的數(shù)據(jù)最好以文件的形式保存下來,，供后續(xù)處理，如頻譜分析等,。
4 結(jié) 語
設計的系統(tǒng)以LabVIEW軟件為平臺,，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，系統(tǒng)電路得到大大簡化,，而且輸入及載波信號可調(diào),，提高了系統(tǒng)的使用效能,，更能全面地對聲學參量陣進行測試。實驗過程中,，當輸入信號為5 kHz,、載波頻率為85 kHz時，在障礙物處能夠聽到聲響,，系統(tǒng)也接收到回波信號,。也就是說，系統(tǒng)發(fā)射的載波調(diào)制信號能夠在空氣中自解調(diào),，形成差頻信號,，而且系統(tǒng)還能實現(xiàn)回波信號的接收，從而證明該系統(tǒng)設計是可行的,。
但是該系統(tǒng)還是存在參量換能器的轉(zhuǎn)換效率低,，系統(tǒng)作用距離不長等弊病。因此下一步將從參量陣基本理論下手,，通過優(yōu)化電路,，改進換能器陣及信號失真預處理算法等手段，探索提高轉(zhuǎn)換效率,、增大系統(tǒng)的作用距離等的有效方法,，使其能更好地應用于水聲探測等領域。