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水声换能器是把声能和电能进行相互转换的器件,是各种水声设备的最基础和最重要的组成部分。低频声波在海水中的衰减系数小于高频声波,其传播距离更远,因而为了加大主动声纳的探测范围、提高水下通信的距离,水声设备需要更低的工作频率并在更宽的频带内处理信号,这就要求水声换能器向低频、宽带的方向发展。
按照常规的换能器设计理论,换能器的谐振频率越低,其体积和重量越大,为工程应用增加了很大的难度。而小尺寸的低频换能器为了保证有足够的声辐射效率,其机械品质因数Q会设计的很高,其带宽必然很窄。而就目前的技术水平来说,很难从制作商处获得小尺寸、低频和宽带兼得的理想换能器。研究如何使用窄带换能器发射象编码调相信号这样的宽带信号成为有突出现实意义的课题。
针对窄带换能器的宽带发射问题,文章讨论了一种基于一个自由度线性振子模型的瞬态抑制技术一在发射信号的同时发射消影脉冲,用消影脉冲的响应抵消信号响应中的瞬态项,获得理想的信号输出,实现窄带换能器的宽带发射。在换能器等效电路参数已知的条件下,文章从压电陶瓷环的机电状态方程出发,推导出换能器输出响应的解析表达式,分离出瞬态响应项,得到瞬态抑制脉冲的解析表达式,并分析了五种形式的消影脉冲(δ脉冲、方形脉冲、钟形脉冲、跳电平和锯齿波)的瞬态抑制性能。当换能器等效电路参数未知时,文章讨论了一种自适应方案,即应用自适应控制理论,通过最小二乘法数值地求解消影脉冲。计算机模拟计算和水库实验证明了我们所讨论的瞬态抑制方案的有效性和可行性。
该技术以不改变换能器系统本身的结构和特性为前提,从信号控制入手,通过在激励信号上叠加消影脉冲来抑制瞬态响应,能够在少量损失发射功率的条件下,得到比较理想的发射信号波形的同时不增加系统的任何硬件负担。我们希望通过瞬态抑制技术的研究,能够实现用窄带的低频换能器发射宽带的编码调相信号。这项技术如果能够付诸实现,将开辟一条用廉价的、重量体积小、在技术上更容易的窄带低频大功率发射换能器来产生宽带低频水下声系统的新途径。