CN1790480A - 用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的声源，包括：宽带换能器、控制器、供电电源、D类功率放大器，还包括一个存储有含两个频率的信号波形数据的波形数据表存储器、地址发生器；控制器协调各部件同步工作，控制发生的声信号的脉宽、每秒重复次数，输出控制指令给地址发生器和D类功率放大器；地址发生器输出数据地址给波形数据表存储器；波形数据存储器中的数据输出到D类功率放大器；D类功率放大器与宽带换能器电连接，为该换能器提供足够的电功率驱动；宽带换能器将由D类功率放大器提供的电功率转换成声功率并发射出去。本发明具有结构简单、体积小、功耗少、效率高的优点，可用于参量阵声纳设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种声源，特别是涉及一种利用一个换能器同时发二个不同频率的声音的声源。
背景技术
体积小、频率低、指向性好的声源在许多方面很有用处，参量阵声纳的声源就具有这些特性。在参量阵声纳设备中，要求发射二个频率比较接近的原频声信号f1、f2。这二个原频声信号发射到水介质中后，由于水介质的非线性作用会产生合频和差频现象。由于合频的频率相对差频的频率要高出很多，会很快被介质吸收。而差频由于介质对它的吸收比较少，所以，可以传播比较远的距离。因此，可以利用差频作为探测信号来探测远处的目标或类似的用途。这是参量阵声纳的基本原理。由此可见，首先要向水介质中发送二个声信号f1、f2。
现有方法采用了两个信号源分别产生两个不同频率f1和f2(例如文献1用两个换能器发送了两个频率：1.93Mhz和2.22Mhz的声波，见：Nonlinear AcousticsBubble Sizing in Water，A.M.Sutin，E.J.Kim，S.W.YOON，and Didenkulov，14thISNA，Nonlinear Acoustics in Perspective，1996，Pp523-529；文献2利用两个扬声器发出两个频率的声波：300Hz和392Hz。参见：Nonlinear Acousticstechniques for Land Mine Detection，Murray S.Korman，USNAA，MD，USA，20402)。如图1中所介绍的，现有方法将两个信号源产生的两个不同频率的信号分别送到对应的线性功率放大器电路，经功率放大后加到对应的换能器上，经换能器将电功率转换成声功率发射到水或其他可传声的介质中，利用介质的非线性在介质中形成合频和差频。这样形成的差频在空间结构上有许多优点，在水下目标探测等方面的应用中受到欢迎。
由于参量阵声纳的转换效率比较低，这就要求两个原频的声功率比较大，一般要达到上千瓦甚至上万瓦的功率。由图1可以看出，现有方法采用的是线性功率放大器，所以，放大器自身的功耗很大。受散热等因素的影响，大功率线性功率放大器的体积都很大，而且很重。按照图1制作的可以同时产生两个频率的声波的发射器的重量超过80公斤，机箱高达1.5米以上；而且只有一个固定波束。
随着科学技术的进步和人们对劳动条件要求的提高，总是希望一些小型的、高效率的、节省能源的设备。现有的分别发射二个频率声波的方法在结构、体积、使用等方面存在难以克服的缺点：首先是需要两个换能器，参量阵换能器的波束开角一般要求比较窄，所以换能器的物理尺寸比较大；如果使用两个换能器，体积就更大，也使得制造成本昂贵；而且现有方式要求发射机工作在线性状态，发射机功耗自身很大，致使整机体积很大，使用不便，所以很难推广使用。
一个调制信号中所具有的频率为其载波频率f0和被调制信号频率fc的组合，该调制信号至少有下面三个频率成分：f0-fc、f0+fc、f0。本发明设计了一种信号，其频率分量fc远小于f0-fc和f0+fc。这样就形成了二个频率f1、f2，这里f1＝f0-fc、f2＝f0+fc。将含有两个频率分量的信号经过功率放大后加在一个换能器上发出，在介质中就存在两个频率f1、f2。这两个频率就是参量阵声纳所需要的两个原频信号。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有的分别发射二个频率声波的***和方法存在的需要两个换能器和两套***、换能器的物理尺寸比较大、成本昂贵等缺点，提供一种利用一个换能器同时发二个不同频率的声音的发射***和方法，利用非规则信号中含有多种频率成分的特点，用一个换能器同时发出二个不同频率的声音信号；进一步，让功率发射单元的工作处于开关状态，从而大大降低自身功耗，实现发射机的小型化，降低制造成本，提高效率。
本发明提供的利用同一换能器同时发射二种声信号的***，如图2所示，包括：宽带换能器7、控制器1、供电电源9、D类功率放大器5，其特征在于，还包括一个存储有含两个频率的信号波形数据的波形数据表存储器3、地址发生器2；所述控制器1协调各部件同步工作，控制发生的声信号的脉宽、每秒重复次数，输出控制指令给地址发生器2和D类功率放大器5；所述地址发生器2输出数据地址给波形数据表存储器3，该波形数据存储器3中的数据输出到D类功率放大器5；所述D类功率放大5与宽带换能器7电连接，为该宽带换能器7提供足够的电功率驱动；宽带换能器7将由功率放大器提供的电功率转换成声功率并发射出去。
如图4所示，该***还包括一个驱动缓冲电路4，与D类功率放大器5电连接，用于向D类功率放大器5提供一定的功率驱动。
如图4所示，该***还包括一个匹配网络6，与D类功率放大器5、宽带换能器7电连接，用于D类功率放大器5和宽带换能器7之间实现阻抗匹配；
如图4所示，该***还包括一个与控制器1电连接的USB/RS232接口8，用于对该***的远程控制；
所述的波形数据表存储器3是由非易失的存储RAM组成，其中固化了按照本发明提供的方法生成的需要发射的含两个频率的信号波形数据，其存储大小可以根据波形数据的数据量来确定，一般在4MBYTEs以上。
所述的D类功率放大器5采用常用的D类功率放大电路，只是由于这里的电流很大，功率管的道通电阻要尽可能小；本发明与常用方法不同，仅要求一只功率放大器。
所述的地址发生器2用常见的通用计数器电路组成；
所述的控制器1为高速单片机或微控制器。
所述的供电电源9可以采用一般直流稳压电源，也可以采用开关稳压电源。
本发明用同一换能器同时发射二种频率声信号的***进行发射的方法，包括以下步骤：
1、波形数据表的建立和存储，具体流程如下：
(1)选定波形数据表地址的更新频率fa：
将要发射的原频f0＝(f1+f2)/2看作占空比为1∶1的方波信号，地址发生器2的地址更新频率为fa，要求fa大于等于两倍的f0(比如f0＝100kHz，fa至少为200kHz)，而且fa应该是f0的偶整数倍，即：fa＝2f0，4f0，6f0，等等；
(2)形成数据表数据：
地址发生器2的地址更新频率fa按照步骤(1)选定之后，就可以将波形转换成数据序列，该数据序列就是波形数据表中存储的数据；具体形成方法是：先形成原频数据，而后再形成差频数据，再将原频数据和差频数据逻辑相与，形成波形数据表中的数据；
原频数据的形成方法是在数据表中顺序写入若干个1若干个0；1的个数为fa与f0的比例数，0的个数和1的个数相同，写入的长度依据发射声波的长度而定；
原频波形，差频波形，合成后形成的波形数据表的图形如图3所示；
(3)将形成的波形数据写入到波形数据表存储器3：
波形数据表存储器3可由非易失的RAM构成，比如FlashRAM，EEPRAM，等存储器，将按照(2)中的方法建立的波形数据表文件写入波形数据表存储器3，写入的方法如同一般的FlashRAM一样。
2、双频声信号的发生
将步骤1中的波形数据固化到非易失RAM中，完成先期的准备工作；***工作过程为：控制器1输出控制指令给地址发生器2，该地址发生器接到指令后开始从地址0向高地址开始输出地址码给波形数据表存储器3，地址码的长度一般在16-24位长，其长度可根据输出声信号的长度来选定。对应一个地址，就有一个波形数据0或者1从波形数据存储表的数据线输出。这个0或者1直接送到处于开关工作状态的D类功率放大器5。1使该功率放大器正向导通，0则使该功率放大器反向导通，向宽带换能器7输出交变的电功率信号，如此反复直到达到所预定的波形数据的长度(声波脉冲的宽度)，地址发生器2停止工作，控制器1命令D类功率放大器5进入关闭状态。一次声信号发送完成。
在实际使用中作为一套声发射***所需要发射的频率基本上是在一定范围内变化，所以这种数据波形表的制作可以尽可能覆盖感兴趣的频率范围。当然，这个波形数据表也可以使用一个数字信号处理器或者一个可编程芯片(比如大容量的CPLD芯片)来实现。在波形数据表中存储的数据用图形表示，形如图3中的合成波形，这种波形的频谱中除了有基频外还有原频与差频的合频分量f2和原频与差频的差频分量f1。
本发明与已有技术相比具有如下优点：
本发明的优点在于用单一信号源和同一换能器同时发出两个不同频率的声信号，使参量阵声纳发射机制作成本大幅减少，大幅减小了发射机的体积和功耗，并易于实现声束的相控、实现利用单一宽带换能器同时发射大功率多个频率成分的声波的发射***和方法。
对比图1和图2，可以看出现有方法需要两个功率放大器，两个换能器，而本发明只需要一个换能器和一个功率放大器，使得结构简单。
另外由图2和图3知，本方法用的是数字工作方式，电路处在开关状态，功率放大器自身几乎不消耗能量，对散热的要求很低，整机的体积可以做的很小，易于实现，能有效地降低参量阵声纳的制造成本，并容易实现对声波束的相控，从而形成多波束发射声源，有明显的技术优越性和一定的应用空间。相比之下，图1所述的现有方法，功率放大器处在线性工作状态，最为理想的自身功耗也要达到50％，实际还要高，而参量阵声纳的发射功率一般要达到数千瓦，由此可见线性功率放大器自身消耗的能量是很大的，必须要足够的散热条件，所以整机的体积一般都很大，造价也很高。
附图说明
图1是现有方法的电路工作原理框图
图2是本发明的双频声发射***组成框图
图3形成数据波形表中数据的各波形信号结构图
图4双频声发射***电原理图
其中图3中高电平为1，低电平为0，合成的波形就是波形数据表中存储的数据结构。如果fa是原频波形的n倍，在波形数据表中对应的连续为1的个数就是n个，然后就是n个0；而后是n个1，n个0，数据长度就是发射的声波的长度。也可以只存储一个完整的差频周期的长度，在使用时由地址发生器在同一地址区间循环发生该段地址，直到达到需要的波形长度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
制作一水下机器人用掩埋物探测声纳中的双频声发射***，其原理框图如图4所示。包括：
控制器1采用ADUC841芯片，与24位地址发生器2、波形数据存储器3、D类功率放大器5电连接，用于协调各部件同步工作，控制发生的声信号的脉宽、每秒重复次数，输出控制指令给地址发生器2和D类功率放大器5；
24位地址发生器2，采用EPLD：7128芯片，与波形数据表存储器3电连接，用于输出波形数据表的地址；
波形数据表存储器3，采用AMD29F100X8芯片，与驱动缓冲4电连接，用于存储包含有需要发射的两个频率信号的波形数据，在地址发生器2的控制下向驱动缓冲4输出波形速据序列，该数据的形成和存储方法下面将详细介绍；
驱动缓冲器4，采用TPS2814芯片，与D类功率放大器5电连接，用于向D类功率放大器5提供一定的功率驱动；
D类功率放大器5，采用FQA90N15芯片，与匹配网络6电连接，用于波形数据的放大，为宽带换能器7提供足够的电功率驱动；
匹配网络6，用于D类功率放大器5和宽带换能器7之间实现阻抗匹配；
宽带换能器7，与匹配网络6电连接，用于由功率放大器提供的电功率转换成声功率并发射出去；
供电电源9，采用开关电源，电压为24V、12V、5V，用于提供芯片的电源和宽带换能器7的电源；
波形数据表存储器3中存储的是将要发射的波形转换的波形数据，这些波形数据在***运行前已经建立并存储在波形数据表存储器3中，其中波形数据表的建立及存储步骤如下：
(1)选定波形数据表地址的更新频率fa：
将要发射的原频f0＝(f1+f2)/2看作占空比为1∶1的方波信号，地址发生器的地址更新频率为fa，要求fa大于等于两倍的f0(比如f0＝100kHz，fa至少为200kHz)，而且fa应该是f0的偶整数倍，即：fa＝2f0，4f0，6f0，等；
(2)形成数据表数据：
地址发生器的地址更新频率fa选定之后，就可以将波形转换成数据序列，该数据序列就是波形数据表中存储的数据；具体形成方法是：先形成原频数据，而后再形成差频数据，再将原频数据和差频数据逻辑相与，形成波形数据表中的数据。
原频数据的形成方法是在数据表中顺序写入若干个1若干个0；1的个数为fa与f0的比例数，0的个数和1的个数相同。写入的长度依据发射声波的长度而定；
原频波形，差频波形，合成后形成的波形数据表的图形如图3所示；
(3)将形成的波形数据表中的数据写入到波形表存储器中：
波形表存储器可由非易失的RAM构成，比如FlashRAM，EEPRAM等存储器，将按照(2)中的方法建立的波形数据表文件写入波形表存储器，写入的方法如同一般的FlashRAM一样。
按照上述介绍的波形数据表中数据的形成方法，并将数据固化到非易失RAM中，完成先期的准备工作。其实，在实际使用中作为一套声发射***所需要发射的频率基本上是在一定范围内变化，所以这种数据波形表的制作可以尽可能覆盖感兴趣的频率范围。当然，这个波形数据表也可以使用一个数字信号处理器或者一个可编程芯片(比如大容量的CPLD芯片)来实现。
在波形数据表中存储的数据用图形表示，形如图3中的合成波形。这种波形的频谱中除了有基频外还有原频与差频的合频分量f2和原频与差频的差频分量f1。
假设波形数据存储器3中已经按照上述方法固化了所需的波形数据表，该***按照存储在控制器1中的预定程序自主工作，发射声波的工作过程可描述如下：
控制器1发出启动发射信号给24位地址发生器2，同时发出信号给波形数据表存储器3来控制信号的脉宽和每秒重复次数，同时给D类功率放大器5输出一条允许发送的命令，D类功率放大器5准备工作(这有利于减少放大器的误动作和降低***功率消耗)；然后24位地址发生器2开始工作，它在控制器1提供的工作频率(2MHz)下增加地址，也就是说它的数据更新率为2MHz；这个地址送到波形数据表存储器3的地址总线，相应地址上的数据就会输出到它的数据线上。该数据是0和1组成的序列，该序列直接送到处于开关工作状态的D类功率放大器5，1使功率放大器正向导通，0则使功率放大器反向导通，，从而波形数据经D类功率放大器5后向宽带换能器7输出交变的电功率信号，宽带换能器7将电能转换成声能发射出去。如此反复发送数据序列直到达到所预定的波形数据的长度(声波脉冲的宽度)，地址发生器2停止工作，控制器1命令D类功率放大器5进入关闭状态。一次声信号发送完成。到此，已完成用一个换能器同时向水或其它传声介质中发射两个频率的声波的目的。
由于所有的器件都是工作在开关状态，所以这里的供电电源9采用开关电源，因为开关电源的效率比较高。供电电源向各个部件提供合适的电压和电流。本***共需要三种电压：24V，12V，5V。对电压的稳定度要求不高，一般误差在10％以内均可使用。
实施例2
如图4所示，该***还包括一个与控制器1电连接的USB/RS232接口8；该***可以通过USB/RS232接口8实现在远程设备的控制下工作，远程控制是在远程设备按照本***提供的控制指令的控制下发射声波，其他要求如实施例1所述。
Claims (11)
1.一种用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的***，包括：宽带换能器(7)、控制器(1)、供电电源(9)、D类功率放大器(5)，其特征在于，还包括一个存储有含两个频率的信号波形数据的波形数据表存储器(3)、地址发生器(2)；所述控制器(1)协调各部件同步工作，控制发生的声信号的脉宽、每秒重复次数，输出控制指令给地址发生器(2)和D类功率放大器(5)；所述地址发生器(2)输出数据地址给波形数据表存储器(3)；所述波形数据存储起器(3)中的数据输出到D类功率放大器(5)；所述D类功率放大器(5)与宽带换能器(7)电连接，为该换能器提供足够的电功率驱动；宽带换能器(7)将由D类功率放大器(5)提供的电功率转换成声功率并发射出去。
2.按权利要求1所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的***，其特征在于，还包括一个驱动缓冲电路(4)，与D类功率放大器(5)电连接，用于向D类功率放大器(5)提供一定的功率驱动。
3.按权利要求1所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的***，其特征在于，还包括一个匹配网络(6)，与D类功率放大器(5)、宽带换能器(7)电连接，用于D类功率放大器(5)和宽带换能器(7)之间实现阻抗匹配。
4.按权利要求1所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的***，其特征在于，还包括一个与控制器1电连接的USB/RS232接口(8)，用于对该***的远程控制。
5.按权利要求1所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的***，其特征在于，所述的波形数据表存储器(3)是由非易失的存储RAM组成，其存储大小可以根据波形数据的数据量来确定。
6.按权利要求1所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的***，其特征在于，所述的地址发生器(2)用常见的通用计数器电路组成。
7.按权利要求1所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的***，其特征在于，所述的控制器(1)为高速单片机或微控制器。
8.一种用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的方法，包括以下步骤：
1).将要发射的波形转换成波形数据序列并存储在波形数据表存储器(3)中；
2).双频声信号的发射，按照步骤1)完成先期的准备工作后，控制器(1)输出控制指令给地址发生器(2)，该地址发生器接到指令后开始从地址0向高地址开始输出地址码给波形数据表存储器(3)，地址码的长度一般在16-24位长，其长度可根据输出声信号的长度来选定；对应一个地址，就有一个波形数据“0”或者“1”从波形数据存储表的数据线输出；这个“0”或者“1”直接送到处于开关工作状态的D类功率放大器(5)，“1”使该功率放大器正向导通，“0”则使该功率放大器反向导通，向宽带换能器(7)输出交变的电功率信号，依此反复直到达到所预定的波形数据的长度，地址发生器(2)停止工作，控制器(1)命令D类功率放大器(5)进入关闭状态，一次声信号发送完成。
9.按权利要求8所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的方法，其特征在于，在步骤1)中，所述的将要发射的波形转换成波形数据序列并存储在波形表存储器(3)中，包括以下步骤：
a)选定波形数据表地址的更新频率fa：
将要发射的原频f0＝(f1+f2)/2作为占空比为1∶1的方波信号，地址发生器(2)的地址更新频率为fa，所述的fa大于或等于两倍的f0，而且fa应该是f0的偶整数倍；
b)形成数据表数据：
地址发生器(2)的地址更新频率fa按照步骤a)选定之后，将波形转换成数据序列，该数据序列就是波形数据表中存储的数据；
c)将形成的波形数据写入到波形数据表存储器(3)中：
在步骤b)的方法中建立的波形数据序列写入波形数据表存储器(3)，写入的方法同一般的FlashRAM一样。
10.按权利要求9所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的方法，其特征在于，在步骤b)中，所述的将波形转换成数据序列的形成方法是：先形成原频数据，而后再形成差频数据，再将原频数据和差频数据逻辑相与，形成波形数据表中的数据。
11.按权利要求9所述的用一个换能器同时发射二个不同频率的声音的方法，其特征在于，在步骤b)中，所述的原频数据的形成方法是在数据表中顺序写入n个“1”，n个“0”，n个“1”，n个“0”……，写入数据的长度依据发射声波的长度而定，其中n为fa与f0的比例数。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN101441200B (zh) * | 2007-11-23 | 2011-03-16 | 中国科学院声学研究所 | 一种超声检测方法和*** |
| CN102636786A (zh) * | 2012-05-17 | 2012-08-15 | 绵阳市浦发电子科技有限公司 | 一种基于参量阵的水下埋藏物探测声纳 |
| CN105004880A (zh) * | 2015-07-06 | 2015-10-28 | 杭州水进环境科技有限公司 | 一种采用高次谐波分量的adcp流速测速*** |
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2004
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