水声换能器在海底通信中的研究.pdf

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1、科技信息高校理科研究水声换能器在海底通信中的研究菏泽学院机电工程系张海英［摘要］为了实现封堵器海洋工作环境中的无线遥控动作，封堵器海底工作中采用了水声通信技术。水声换能器在水下通信过程中起到了无可替代的作用。整个水声通信过程可以归结为首先由PC机发出指令给调制解调器,经功率放大匹配后送至水声换能器，水下部分按逆方向接收。本文对水声通讯频率的选择及水声换能器的选型进行了研究，并利用中国科学院水声研究所研制的FSQ-37型水声换能器，进行了换能器性能测试试验，确定了水声通讯的载波频率。水声换能器的研究将会对海底石油管道水下维修时通信的稳

2、定性和可靠性提供较高的保障。［关键词］智能封堵器水声通信水声换能器载波频率1.海底智能封堵器水声通信概述发射电压响应Sv是衡量声系统向水中辐射声波能量性能优劣的重用于海底管道维修的智能封堵器，要攻克的技术难关之一是如何要参数，它定义为：在确定的频率下发射换能器(或换能器阵)在指定方实现智能封堵器的水上水下通讯系统，以完成平台的遥控操作。由于海向(声轴方向)上离其有效声中心参考距离上所产生的自由场声压Pf与洋环境的特殊性，采用了水声无线通信方式。水声通信系统不同于传统换能器输入端的激励电压有效值V的比值。的无线通信系统，它必须通过非常

3、特殊的水声信道，即通过海水媒质传Sv=Pf(1m)·d0(Pa·m/v)输信息[1]。海水媒质极为复杂多变，传播过程中媒质对声能的吸收和波V阵面的扩展导致信号的衰减；海面和海底对声波的散射和反射导致了参考距离d0=1m，Sv的分贝表示成为发射电压响应级：多径现象；还有海水媒质的不均匀性以及水下存在大量的干扰噪声，都SvL=20lgSv(dB)将使水声信号产生畸变[1]。本文的主要工作完成了在通信过程中起着重(Sv)ref要转换作用的水声换能器的研究以及选型工作，并且通过水试实验确基准值(Sv)ref=1μPa·m/v。换能器还有其他

4、的一些特性，如指向性等。定了信号的水下传输频率。3.水声换能器FSQ-37经过调研和选型，本文水试实验中采用的水声发射换能器是中国科学院水声研究所研制的浅海圆柱型压电陶瓷换能器FSQ-37。压电陶瓷换能器是当前水声领域中广泛使用的一类换能器。其主要优点为：(1)当它工作在发射状态时，它可作为强功率辐射器，其电声效率也较高，约在30-70%之间；(2)当它工作在接收状态用作接收器时，它有较高的接收灵敏度，约几十至几百微伏/帕；(3)它可作为各种形状的换能器，如复合棒型、柱型和球型等换能器。具有结构简单、工作性能稳定的特点[6]。图1智

5、能封堵器通信过程示意图发射换能器外观见图2。水声换能器是实现电声能量相互转换的器件，根据用途可分为发射器和接收器(或水听器)。智能封堵器通信信号流程如图1所示。此通信系统主要研究的是从母船或平台计算机操作界面发出指令数据，将数字信号经由modem转换调制成模拟信号，经过功率放大匹配电路，送至水声换能器，转换成声信号。作为工程水声领域的重要研究方向，水声换能器及其基阵是多门学科的综合利用，涉及到水声学、物理学、电子学、机械学、材料学甚至化学的有关知识。它的研究为解决水下信息的可靠传输和交换提供了重要的技术保障[2]。2.水声换能器的主

6、要性能参数图2发射换能器FSQ-37在水声换能器的选型过程中考虑的主要性能参数有：水试实验中所用的FSQ-37圆柱型压电陶瓷换能器的主要参数见(1)工作频率表1。换能器的工作频率是在特定的条件下依据声纳方程来选定的，并表1发射换能器主要参数且其他一些重要的性能指标如指向性、发射声功率和接收灵敏度等均波束宽度垂直方向椭圆形能场分布随频率变化[3]。对于发射器来讲，一般皆使它工作在谐振基频上以获得发射灵敏度见图3大功率发射和高效率特性。对于水听器来说，则希望它工作在具有平坦的接收响应的频段上。接收灵敏度见图4(2)频带宽度Δf和机械品质

7、因素Qm谐振点并联电阻Ro=20Ω1Δf频带宽度Δf与品质因素Qm有如下关系：=，其中f0是机械Qmf0圆柱型水声换能器的发射响应和接收灵敏度见图3和4。共振频率。品质因素Qm与换能器的材料、结构尺寸、机械损耗及辐射阻抗有关，机械损耗和辐射阻抗愈大以及在共振频率附近的等效质量愈小，则Qm愈低，带宽变宽。(3)自由场接收电压灵敏度自由场是指均匀、各向同性、没有边界的媒质，而实际中只是近似自由场，如消声水池。自由场电压灵敏度M[4]是换能器输出端的开路电e压e0与声场中引入换能器前在放置换能器位置处的自由场声压Pj的比值，表示为Me=e

8、0/Pj，而自由场电压灵敏度级定义为：MeL=20lg(e0)-120(dB)Pj其基准值为1V/μPa。图3发射响应（下转第532页）(4)自由场发射电压响应—530—科技信息高校理科研究序在两次中断间执行所产生的时间误差，因此重装