水聲工程專業電子技術創新實踐課程教學項目設計

朱建軍 周天 楊友福 于曉陽 張淑娟

摘? 要：前沿科研成果向實驗教學一線轉化是增加實驗課程高階性、創新性和挑戰度的重要方式，也是全面提升新時代大學生科研素養、創新潛質和解決科學問題能力的重要途徑。該文以電子技術創新實踐課程中的實驗教學項目為例，以工程實際問題為切入點，設計“水聲發射機”綜合實驗教學項目，從科研項目背景、實驗設計、實驗結果分析等方面介紹該課程如何結合基礎知識融入最新科研成果，并全面進行教學實踐的科教融合過程。在整個實驗實施過程中，學生更加深入地理解和掌握聲吶發射機的工作原理和設計思想，對學生創新思維和科學研究能力的培養具有顯著促進作用。

關鍵詞：水聲工程；電子技術；實驗教學；科教融合；創新思維

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0059-04

Abstract： The transformation of cutting-edge scientific research results into experimental teaching is a crucial approach to enhance the sophistication， creativity， and challenges of experimental courses. It is also a vital method to comprehensively improve the scientific research literacy， innovation potential， and problem-solving abilities of contemporary university students. This article takes the experimental teaching project of the electronic technology innovation practice course as an example， using practical engineering issues as the starting point. It designs a comprehensive experimental teaching project called the Underwater Acoustic Transmitter， integrating the latest research findings into fundamental knowledge. The article elaborates on the integration process of teaching and scientific research， covering aspects such as research project background， experimental design， and analysis of experimental results. Throughout the implementation of the experiment， students gain a deeper understanding and mastery of the principles and design concepts behind sonar transmitters， significantly promoting the cultivation of students' innovative thinking and scientific research abilities.

Keywords： underwater acoustics engineering; electronic technique; experimental teaching; integration of teaching and scientific research; innovative thinking

教育部于2019年10月份印發了《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》，明確指出高校課堂應滿足“兩性一度”的評價標準，即高階性、創新性、挑戰度。前沿科研成果向實驗教學一線轉化是增加實驗課程高階性、創新性和挑戰度的重要方式，也是全面提升新時代大學生科研素養、創新潛質和解決科學問題能力的重要途徑[1-4]。以科技前沿問題為牽引，實際科研項目為依托，圍繞課程知識點設計出適合本科生的實驗項目，是拓寬學生視野、激發學生學習興趣、加深基礎理論知識理解、培養系統思維和工程設計思想的有效舉措[5-9]。電子技術創新實踐課程是水聲工程專業一門重要的基礎課，課程中涉及知識點多，單一理論授課難以使學生對各知識點融會貫通，也不易建立電子技術基礎知識與水聲專業間的聯系，不利于創新性卓越人才的培養。本文以科研項目主動聲吶系統中的低頻水聲發射機為原型，結合課程知識點，設計“水聲發射機”這一實驗項目，實現信號產生、功率放大與調節、阻抗匹配等功能，通過功能電路設計和關鍵技術指標測試，建立電子技術基礎知識與水聲工程科研項目實際間的聯系，在將分散知識點間建立聯系的同時與科研項目相結合。加深基礎知識理解的同時激發學生學習興趣，全面提升新時代大學生的科研素養，培養創新潛質和解決科學問題的能力。

一? 實驗項目背景及意義

水聲發射機是主動聲吶系統的核心組成部分之一，其良好的多功能性和穩定性直接關系著主動聲吶高系統指標的實現和良好性能的發揮[10]。水聲發射機探測信號低失真度發射和輸出增益的大動態范圍調節能力，可有力支撐新型主動聲吶的研制，有效解決仿生探測、水下目標輻射動態模擬等前沿需求問題，在水下探測、目標模擬、水聲計量測試等領域應用前景廣闊[11-13]。振蕩器技術和功率放大器技術是電子技術創新實踐課程的核心授課內容，而科研項目中水聲發射機低失真度信號發射和可調輸出增益功能的實現，源于振蕩器技術和功率電子線路技術的支撐。以科研項目中的水聲發射機設計為題材，設計水聲工程專業電子技術創新實踐課程實驗項目，將優質科研資源轉化為人才培養優勢，實現從科教并重向科教融合的轉變。

二? 水聲發射機實驗原理

（一）? 系統構成框圖

水聲發射機主要由信號產生電路、功率放大電路、電源模塊（采用直流穩壓電源）、匹配濾波電路和換能器（等效負載）組成，系統構成框如圖1所示。功率放大電路將發射信號進行功率放大，驅動后級工作；電源模塊為發射系統提供各類電源；匹配濾波電路改善負載阻抗特性，使換能器獲得最大輸出功率；水聲換能器將電能轉換為聲能輻射聲波。

（二）? 信號產生電路

根據應用目的和應用場景不同，水聲信號包括正弦、線性調頻、編碼等多種形式，可為連續正弦信號，也可為脈沖信號[14]。本實驗中學生可以根據需要設計不同形式的信號波形，下面以連續正弦波水聲信號為例進行設計。

常用的正弦信號產生電路依據選頻網絡選用器件不同可分為RC振蕩電路、LC振蕩電路和石英晶體振蕩電路。RC振蕩電路產生的正弦信號頻率較低（通常低于1 MHz），而LC振蕩電路和石英晶體振蕩電路常用于產生高頻信號（通常1 MHz以上）[15]。由于水聲工程中發射信號頻率大多低于1 MHz，本實驗采用文式橋RC振蕩電路產生低頻水聲信號，發射信號產生電路原理圖如圖2所示。

電路中R1、C1、R2和C2構成正反饋兼選頻網絡（串并聯選頻網絡），元件參數決定信號輸出頻率，電阻R3、R4接放大器反相輸入端構成負反饋網絡，實現信號放大和穩幅，R3、R4 的選取關系著電路能否起振與輸出信號幅值的平衡。

實際設計時常加入非線性環節（穩幅電路）穩定輸出信號幅度，可選用R4為正溫度系數熱敏電阻或選用R3為負溫度系數熱敏電阻的方式實現這一功能。本實驗引入滑動變阻器Rp并將R3與兩個方向顛倒的二極管并聯，利用二極管動態電阻隨電流變化特性實現穩幅電路功能，詳如圖2所示。Rp可改變負反饋深度，調整信號輸出幅度，并更好地滿足振蕩的振幅條件和改善波形。

（三）? 功率放大電路

功率放大電路是向負載換能器提供功率信號的核心電路。傳統水聲發射機中功率放大電路多為AB類或D類功率放大電路。AB類功放線性度高，能量轉化效率介于A類和D類功放之間，可采用分立晶體管外加相關元件搭建，也可采用集成功放芯片實現功率放大功能，且具有實現簡單、穩定性好等特點。

與上文提到的正弦信號形式相匹配，設計的功率放大器采用集成功放芯片LM386。LM386具有自身功耗低、電壓增益可調、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點。芯片引腳定義及內部電路結構詳見芯片手冊，典型電路如圖3所示。C4為輸入端耦合電容、C5為旁路電容、C9為電源去耦電容，輸出端接電容C3起隔直和耦合作用；R5和C6構成相位補償電路，本實驗設計負載RL1典型取值為8 Ω。通過LM386引腳1、8設置電容C7和滑動變阻器Rp3串聯電路，可改變電壓增益，理論調整范圍為26～46 dB之間。

（四）? 匹配濾波電路

水聲發射機的負載多為壓電式水聲換能器，通常為容性負載，可等效為電容和電阻的并聯電路[16]。為了保證高效地將功放電路輸出的電功率傳輸至換能器，通常需由匹配濾波電路進行負載匹配來實現，該電路可起到調諧匹配、阻抗匹配、濾波等作用。

圖3? 功率放大電路圖

采用外加電抗性元件調節水聲換能器的輸入電抗，使換能器等效阻抗輸入相角趨近于零，以減少功率傳輸中的無功損耗，提高轉換效率。實際應用中，通常在換能器兩端并聯、串聯或同時使用串并聯電感元件來實現調諧匹配。在串聯電感元件的調諧匹配電路中，假設換能器在工作頻點上的等效電阻和等效電容分別為RL=1 kΩ和CL=2 nF。

加入串聯調諧匹配電感L之后，負載等效阻抗變為

ZL=jωL+ 。（1）

令等號右邊的虛部為0，此時，回路達到諧振，輸出有功功率最大。所以，當回路諧振時，匹配電感值應為

L=。 （2）

此時，等效電阻變為

R= 。（3）

負載串聯電感的調諧匹配電路如圖4所示。

圖4? 匹配電路

最后，采用變壓器改變換能器的有功電阻，使其與功放的輸出電阻接近或相等，以達到最佳功率傳輸匹配，使換能器獲得最大輸出功率。假設調諧匹配后負載經變壓器初級看進去的等效電阻為R，變壓器次級和初級的匝數比為N，那么由阻抗變換關系可以得

N= 。? （4）

N值確定了不同的阻抗變換關系，決定了功放輸出功率大小以及換能器負載獲得的驅動電壓強度。

三? 實驗結果分析及教學成效

（一）? 實驗結果

焊接調試整體實驗電路板及測試過程波形如圖5（a）所示，實驗實現了32.68 kHz無失真正弦波信號的產生（圖5（b））和約12 dB電壓增益動態范圍的調節（實測27.1～45.5 dB，如圖5（c）所示）。

同時，對系統通頻帶進行了測試，測試數據見表1，分析得出本文設計水聲發射機系統帶寬約為109.3 kHz。

調整Rp1使信源輸出信號幅度為0.12 V，計算整機電壓增益約為56 dB；負載阻抗按996 Ω計算，得輸出功率為2.8W；實測電源輸出功率5.4 W，調試電路的工作效率為51.9%。通過上述電路設計與調試，實現并驗證了水聲發射機穩定頻率信號發射以及輸出動態范圍可調等預期功能。

（二）? 教學成效

通過該實驗課程的仿真設計和動手實踐，學生深入理解了振蕩器和功率放大器電路的工作原理，根據項目技術指標要求，通過仿真設計不同參數的電路形式。掌握了相關電子技術的調試手段，通過配合主動聲吶系統的其他部分進行系統測試，學生初步建立了基本的系統調試思維以及工程設計思想，提高了處理實際工程問題的能力。通過課程學習，其中3名本科學生作為核心參研人員參與了國家重點研發計劃“國家質量基礎（NQI）的共性技術研究與應用”重點專項項目，設計并實現了輸出動態范圍可調的目標模擬聲信標發射機，支撐解決了小尺度水池中大定位距離量值的計量測試問題；另外，低失真信號發射技術也被應用于某仿生聲吶的設計與研制中，解決了非人造信號的高保真發射問題。通過引入主動聲納設計方面的最新科研成果，開闊學生的專業視野，為學生闡述課程所學知識點與科技前沿之間的邏輯關系，激發學生學習熱情，鼓勵學生掌握扎實的專業基礎知識，將價值塑造、知識傳授和能力培養緊密融合，培養卓越科學技術人才。

四? 結束語

在水聲工程人才培養過程中，將前沿科研成果向實驗教學一線轉化，讓學生接觸并思考前沿熱點問題，同時與課程理論內容相結合，設計出具有一定高階性、創新性和挑戰度的實驗項目，是豐富實驗課程體系的重要舉措，也是提升實驗教學質量的關鍵所在，有助于形成教學與科研良性互動機制，促進人才培養質量提升。本文以電子技術創新實踐課程中實驗教學項目為例，依托科研項目成果，設計水聲發射機綜合實驗教學項目，在整個實驗項目實施過程中，科研創新意識、工程設計思想一直在潛移默化地影響著學生，促使學生將相關專業知識融會貫通，將理論付諸于實踐，對學生創新思維和科學研究能力的培養具有顯著促進作用。

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基金項目：國家自然科學基金面上項目“海底掩埋管道有限聲束精細探測機理研究”（42176188）；黑龍江省高等教育教學改革研究項目“‘互聯網+視域下創新創業教育改革探索研究”（SJGY20220085）；黑龍江省教育科學規劃2023年度重點課題研究成果“課程思政在國防特色專業實驗教學中的探索與實踐”（GJB1423065）

第一作者簡介：朱建軍（1981-），男，漢族，河北樂亭人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為聲納系統設計與測試技術。

*通信作者：楊友福（1982-），男，漢族，黑龍江方正人，博士，實驗師。研究方向為水聲測試技術。