減小聲吶發射機余振時長的方法研究

王雪平，鄧 鍇，蘆 山

(1.中科院聲學研究所海洋聲學技術中心，北京 100190；2.北京市海洋聲學裝備工程技術研究中心，北京 100190)

0 引 言

聲學多普勒流速儀(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)越來越廣泛地應用于對海洋和河流的開發利用中，而ADCP聲吶發射機性能直接影響水聲設備的性能。由于聲吶發射機在發射信號結束后，仍有余振信號發出，使得ADCP接收機在發射信號結束后不能立即采集信號。為了避免聲吶發射機產生的余振干擾，ADCP系統設置了余振盲區，在余振結束之后，接收機才開始接收信號。余振干擾存在的時間越長，盲區也就越大[1]。余振盲區的存在大大影響了ACDP的性能，所以減小余振干擾時長也在一定程度上提高了ADCP的性能。本文從可能減小余振持續時間的角度出發，采用實驗的方式，驗證所采取的措施能否減小余振衰減時間。

1 余振及減小余振時長的方法

聲吶發射機中余振存在的根本原因是在發射機停止發射的瞬間，變壓器的初級和次級線圈里存儲的能量不能立即釋放掉，而是在換能器負載回路中慢慢振蕩衰減，換能器負載回路示意圖如圖1。

圖1 換能器負載回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of transducer load circuit

圖1中L初和L次分別是變壓器T的初級和次級電感，L1表示變壓器連接換能器的引線電感，RL和CL為換能器參數(容性換能器)。當線圈L中流過電流I時，電感L中存儲的能量E的公式為

在發射機停止發射的瞬間，變壓器初級線圈流過的電流為I初，次級線圈和引線電感中的電流為I次，所以在發射機停止發射的瞬間，變壓器初級線圈中的能量E初為

變壓器次級線圈中的能量E次為

引線電感中的能量E1為

所以總的能量公式E總為

1.1 減小余振能量的方式

減小余振衰減時間最根本有效的辦法是減小需要衰減的能量。在滿足輸出功率的條件下，盡量減小變壓器初級和次級的儲能，并且盡最大可能減小引線電感的儲能，這些措施將有效減小余振衰減時間。

在逆變電壓不變的情況下，若變壓器變比不變，輸出功率不變，則輸出電流也不變。所以有效減小儲能的方法有以下兩種：

(1)減小變壓器初級和次級的匝數，以減小初級和次級的電感；

(2)盡可能地減小連接線的引線電感。

根據變壓器工作原理，在輸出功率一定時，變壓器的初級電感有最小限值[2]，而變壓器的初、次級電感與匝數的平方成正比，減少變壓器匝數即可減小變壓器的初、次級電感，從而減少余振能量。減小連接線引線電感將直接減少余振能量，是一種十分有效的縮短余振衰減時間的方法。

1.2 加快余振能量衰減速度的方法

縮短能量衰減時間還有另外一種方法，就是加快能量的衰減速度。在圖1中，消耗這部分余振能量最終由換能器的負載電阻完成，電阻的阻值越小，這部分余振能量消耗得越快，余振持續的時間也就越短。所以加快余振的衰減速度，也就是縮短余振的持續時間的有效方法。在條件允許的情況下，換能器的電阻值應盡量小。

2 減小余振時長的實驗

針對可能減小ADCP聲吶發射機余振時長的方法，設計了相應的實驗來驗證這些方法的可行性。實驗條件如下：

(1)在實驗1和實驗2中采用的換能器相同，變壓器的匝比為1:2.5不變。在實驗3中，采用兩種容性換能器，兩者電容值接近，阻值差異較大；

(2)為了方便實驗前后參數的對比，實驗中聲吶發射機的工作頻率是單頻1.2 MHz；

(3)在實驗中，逆變電壓不變，變壓器的匝比不變，所以變壓器輸出電壓也不變。

2.1 變壓器匝數減小對余振時長的影響

在減少變壓器初次級的匝數實驗中，變壓器采用同一個磁芯，只是變壓器的匝數改變，變壓器T1的變比是n初:n次=4:10，變壓器T2的變比為n初:n次=2:5。通過示波器測試各自的余振持續時間，來驗證減少匝數是否能有效減少余振的時長。圖2為變壓器T2的余振時長，從發射機停止發射開始，到余振衰減至1.6 V為止，耗時162 μs。圖3為變壓器T1的余振時長。從發射機停止發射開始，到余振衰減至1.6 V為止，耗時716 μs。

圖2 采用變壓器T2的發射機余振時長Fig.2 Residual vibration duration of the transmitter with transformer T2

圖3 采用變壓器T1的發射機余振時長Fig.3 Residual vibration duration of the transmitter with transformer T1

對比圖2和圖3的余振時長數據可知，僅僅減少變壓器的匝數，其它的工作條件均不改變，余振時間減小了554 μs，變壓器匝數減少之后的余振時長僅為匝數減少之前余振時長的23%，所以變壓器的匝數減小對減少余振時間十分有效。

假設發射機變壓器的變比為1:ns，把變壓器次級的負載RL等效到變壓器的初級側，其等效負載為。在變壓器的初級電路中，變壓器初級的感抗應遠遠大于等效阻抗，即

因為L初與變壓器初級匝數的平方成正比，但受變壓器初級最小電感量的限制，變壓器的初級匝數可取滿足最小初級電感量的匝數值。

2.2 引線電感減小對余振時長的影響

聲吶發射機變壓器輸出的電壓信號通過飛線連接到換能器，由于材質不同，不同的連接線的寄生電感也不同。采用阻抗分析儀測試，兩種長度相同的連接線，連接線A在1.2 MHz時電感為30 nH，另一種連接線B的電感為57 nH。僅僅更換這兩種連接線，其他的實驗條件均相同，通過示波器測試各自的余振持續時間。圖4是采用連接線A時的余振時長，從發射機停止發射開始，到余振幅度衰減至1.6 V為止，耗時269 μs。圖5是采用連接線B的余振時長，從發射機停止發射開始，到余振幅度衰減至1.6 V為止，耗時293 μs。對比圖4和圖5的余振時長數據可知，僅僅改變連接線，其它的工作條件均不改變，余振時間減小了24 μs，所以采用引線電感小的連接線可以在一定程度上減小余振時長。

選取連接線時可采用阻抗分析儀測量各種連接線的引線電感，選用引線電感最小的導線作為連接線。

圖4 采用電感為30 nH的連接線A時的發射機余振時長Fig.4 Residual vibration duration of the transmitter with the connecting line A of 30 nH

圖5 采用電感為57 nH的連接線B時的發射機余振時長Fig.5 Residual vibration duration of the transmitter with the connecting line B of 57 nH

2.3 換能器阻值減小對余振時長的影響

在換能器灌裝完成后，無法直接減小換能器的電阻參數。換能器的阻值大小對聲吶發射機余振時間的影響實驗，是通過更換阻值更小的換能器來實現的。阻抗分析儀測試換能器A在1.2 MHz時的電阻、電容參數分別為9.8 Ω，7.9 nF，換能器B在1.2 MHz時的電阻、電容參數分別為4.5 Ω，7.7 nF。換能器A和B的電容參數接近，電阻參數相差較大，實驗過程中僅僅將換能器A更換為換能器B，其他實驗條件均不改變。圖6是連接換能器A時的余振時長，從發射機停止發射開始，到余振衰減至1.6 V為止，耗時259 μs。圖7是連接換能器B時的余振時長，從發射機停止發射開始，到余振衰減至1.6 V為止，耗時162 μs。對比圖6和圖7的余振時長，換能器阻值更小時可以加快余振的衰減速度。

圖6 連接換能器A時的發射機余振時長Fig.6 Residual vibration duration of the transmitter when connecting transducer A

圖7 連接換能器B時的發射機余振時長Fig.7 Residual vibration duration of the transmitter when connecting transducer B

3 結 論

上述實驗結果表明，減小變壓器的匝數、采用引線電感較小的連接線和減小換能器阻值這三種方法均可在不同程度上縮短余振的衰減時間。采用引線電感較小的連接線是一種容易實現的方法，而變壓器的匝數有最少匝數限制，不可隨意減小。換能器的電阻參數與換能器的材料、尺寸以及加工工藝有關。通過減少變壓器的匝數，減小換能器的等效電阻縮短余振時長，這種兩種方法雖然不易實現，仍應在允許的范圍內做出努力，以盡可能提高ADCP的性能。