排水管道聲吶成像檢測中換能器阻抗匹配技術(shù)研究

摘" 要： 針對目前聲吶檢測信號易震蕩拖尾、電聲能量互換效率低和排水管道聲吶檢測圖像難以分辨等問題，著重研究導致這些問題的收發(fā)一體聲吶換能器阻抗匹配核心技術(shù)，從聲吶換能器等效電路建模、阻抗匹配網(wǎng)絡設計和電路實現(xiàn)并測試三個方面進行了詳細分析。對加入阻抗匹配電路前后的聲吶換能器測試結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果表明，所設計的阻抗匹配電路簡單有效，聲吶成像圖像清晰，并且聲吶成像檢測結(jié)果定量分析誤差率低，被測試物體長度、寬度和對角線距離的聲吶檢測量誤差率分別為1.04%、1.71%和1.37%，符合最新的行業(yè)技術(shù)標準。研究成果能夠提升排水管道病癥檢測的能力，對城市內(nèi)澇災害防治具有重要意義。

關鍵詞： 聲吶換能器； 阻抗匹配； 聲吶成像檢測； 高水位排水管道； 等效電路； 散射參數(shù)； 軟件仿真

中圖分類號： TN29?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）14?0129?06

Research on transducers impedance matching technology in sonar imaging

detection of drainage pipelines

ZHU Jun1， 2， WANG Yongtao3

（1. School of Electronic Information and Communications， Hubei Open University， Wuhan 430074， China;

2. School of Electronic Information and Communications， Hubei Science and Technology College， Wuhan 430074， China;

3. School of Automation， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract： In allusion to the current problems of sonar detection signals being prone to oscillation and tailing， low efficiency of electroacoustic energy exchange， and difficulty in distinguishing sonar detection images in drainage pipelines， the core technology of impedance matching for integrated sonar transducers is researched emphatically， and the detailed research was conducted from three aspects： equivalent circuit modeling of sonar transducers， impedance matching network design， and circuit implementation and testing. The comparative analysis was conducted on the testing results of sonar transducers before and after the addition of impedance matching circuits. The results show that the designed impedance matching circuit is simple and effective， the sonar imaging images is clear， and the quantitative analysis error rate of sonar imaging detection results is low. The error rates of sonar detection quantities for the length， width， and diagonal distance of the tested object are 1.04%， 1.71%， and 1.37%， respectively， which met the latest industry technical standards. The research findings can improve the detection ability of drainage pipeline diseases， which is of great significance for the prevention and control of urban waterlogging disasters.

Keywords： sonar transducer; impedance matching; sonar imaging detection; high water?level drainage pipeline; equivalent circuit; scattering parameter; software simulation

0" 引" 言

地下管道排水能力減弱是導致城市內(nèi)澇災害發(fā)生的關鍵因素之一，故排水管道病癥檢測受到高度關注。2023年增發(fā)國債1萬億元，用于防災、減災、救災等八大方面，“城市排水防澇能力提升行動”是其中之一[1]。因此，研發(fā)高性能的排水管道病癥檢測儀器具有重要的意義。

目前排水管道病癥檢測儀器主要分為兩大類：一類是管道低水位環(huán)境下的視頻類檢測儀器，包括管道機器人、管道潛望儀、管道內(nèi)窺儀等[2?3]，經(jīng)過多年的研發(fā)，視頻類管道檢測技術(shù)已經(jīng)非常成熟；另一類是管道高水位環(huán)境下的物探類檢測儀器，包括管道聲吶成像儀、管道磁法儀、管道電法儀等[4?5]，物探類檢測技術(shù)最近幾年才應用到排水管道檢測領域，很多關鍵技術(shù)值得研究。管道聲吶成像儀的作用是檢測出管道塌陷、管道變形和淤泥堵塞等影響防澇能力的工程問題，目前實際使用中對于管道聲吶成像有一定的效果，但也存在聲吶檢測信號易振蕩拖尾、信號有功功率低、聲場輻射聲壓弱等現(xiàn)象，從而導致管道聲吶圖像復雜、異常難分辨和有效檢測距離短等問題，主要原因之一是聲吶換能器驅(qū)動電路阻抗不匹配[6?7]。聲吶換能器驅(qū)動電路阻抗匹配研究工作在醫(yī)療領域、地質(zhì)石油測井領域和工程領域有大量的研究[8?11]，但在地下排水管道檢測領域還是一個新課題。

本文以高水位地下排水管道聲吶成像病癥檢測為應用背景，著重研究收發(fā)一體聲吶換能器電聲能量互換的阻抗匹配核心技術(shù)，從聲吶換能器等效電路建模、阻抗匹配網(wǎng)絡設計、電路實現(xiàn)并測試三個方面進行詳細研究。

1" 管道聲吶成像檢測總體思路

排水管道聲吶成像檢測系統(tǒng)原理圖如圖1所示，圖中為檢測系統(tǒng)橫截面。

城市內(nèi)主排水管道或者重要管道常年處于高水位運行狀態(tài)下，聲吶成像檢測探頭在漂浮裝置的作用下，懸浮在管道內(nèi)水中。探頭內(nèi)激勵電路周期性產(chǎn)生檢測脈沖，激發(fā)聲吶換能器，向外發(fā)射聲吶波，遇到管道壁后形成聲吶回波反射，回波被換能器檢測到后，將聲能量轉(zhuǎn)換回電信號，交給接收電路處理?；夭ㄐ盘栔邪瑑煞N信息：一種是探頭到管道壁之間的距離信息，可以用發(fā)射波與回波之間的間隔時間信息計算得到；另一種是排水管道壁的腐蝕狀況或者完整性信息，可以通過回波的電壓幅度值得到。一道回波可以得到管道壁上一個點的信息，順時針將換能器旋轉(zhuǎn)一個小角度，再次發(fā)射聲吶波，又可以得到管道壁相鄰點的信息。只要換能器每次旋轉(zhuǎn)的角度不大于換能器波束角的[12]，累計旋轉(zhuǎn)360°后，使用所有點的信息在xy平面上繪制二維聲吶時間圖或者聲吶幅度圖，就可以反映出探頭當前位置排水管道圓周的狀況。探頭在電纜的牽引下，沿z軸移動一小段距離，再次重復上面的過程，可以得到排水管道相鄰圓周的信息。把整段管道的所有圓周信息按距離組合在一起，最終可以形成排水管道三維聲吶圖，排水管道缺陷信息也在三維圖中一目了然。

一次聲吶發(fā)射接收過程，電聲能量要互換兩次，核心部件就是聲吶換能器。電聲能量的高效率轉(zhuǎn)換主要取決于驅(qū)動電路與換能器之間的阻抗匹配，本文將詳細研究排水管道聲吶換能器阻抗匹配技術(shù)。

2" 聲吶換能器建模

聲吶換能器實物圖和等效模型如圖2所示。圖2a）的聲吶換能器實物圖為圓柱體結(jié)構(gòu)，圓面直徑為40 mm，高為16 mm，從下至上分為三層，分別為基座、壓電材料層和匹配保護層，2根導線從壓電材料層兩端引出，保護層保護換能器能在高溫高壓環(huán)境下正常工作。為了便于安裝，聲吶換能器整體粘貼在最下面的機械鋁件上。

聲吶換能器等效電路模型常用巴特沃斯（Butterworth?Van?Dyke， BVD）模型表示，如圖2b）所示，由兩種支路構(gòu)成，分別為并聯(lián)支路和串聯(lián)支路[12]。并聯(lián)支路只有一條，如果換能器有多個諧振頻率，則串聯(lián)支路就有多條。串聯(lián)支路由動態(tài)電阻[Rs]、動態(tài)電容[Cs]和動態(tài)電感[Ls]串聯(lián)構(gòu)成，當串聯(lián)支路阻抗最低時，電聲轉(zhuǎn)換效率最高，聲吶波能量最強，此時串聯(lián)電容和電感的電抗相互抵消，計算可得諧振頻率[fs]，公式如下：

[fs=12π1LsCs]" " " " " " " "（1）

并聯(lián)支路由靜態(tài)電容[C0]和介電損耗電阻[R0]并聯(lián)構(gòu)成，由于[R0]比[Rs]大很多，計算時可以不考慮[13]。當換能器阻抗最大時，聲電轉(zhuǎn)換效率最高，接收信號最強，對應的反諧振頻率[fp]公式[14]如下：

[fp=12πC0+CsLsC0Cs]" " " " " " "（2）

阻抗分析儀測得聲吶換能器實際參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示，實測導納頻率曲線如圖3虛線所示。

從圖3導納頻率曲線中可以觀測到，聲吶換能器有兩個諧振頻率，一個是匹配保護層最小阻抗點對應的頻率[fs1]，如m1點所示；另一個是壓電材料層最小阻抗點對應的頻率[fs2]，如m2點所示。

要充分考慮換能器整體能量轉(zhuǎn)換效率，通常換能器激勵脈沖頻率[f]選擇在諧振頻率[fs1]和[fs2]的中點附近，如公式（3）所示。

[f=fs1-fs22+fs1] （3）

結(jié)合表1中實測參數(shù)值，理論計算得到換能器激勵脈沖頻率為500.95 kHz，但實際影響激勵脈沖頻率的因素很多，需要根據(jù)實驗優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)圖3實測導納頻率曲線圖，聲吶換能器等效電路導納表達式如下：

[Y=jωC0+i=121（Ri+1（jωCi）+jωLi）]" （4）

根據(jù)公式（4）和基本BVD模型，在射頻微波仿真系統(tǒng)ADS（Advanced Design System）軟件中建立模型，電路圖如圖4所示。在ADS軟件中優(yōu)化模型中電阻、電容和電感等元件參數(shù)，仿真得到BVD等效電路導納頻率曲線圖，在圖3中與換能器實測導納曲線進行對比分析，2個諧振頻率點m1和m2相同，換能器激勵脈沖頻率[f]附近區(qū)間曲線吻合較好，其他頻率區(qū)間曲線基本保持一致，所以圖4所示換能器BVD等效電路元件參數(shù)有效，可以代替換能器作為負載進行阻抗匹配設計。

3" 聲吶換能器阻抗匹配設計

在ADS仿真軟件中，通過對聲吶換能器BVD等效電路模型的分析，同時考慮到信號發(fā)生器電路的設計簡單，換能器激勵脈沖頻率[f]選擇為500 kHz。等效電路在500 kHz時的阻抗為（46-151j）Ω，此阻抗值作為輸入阻抗，代替換能器成為匹配網(wǎng)絡的負載端口2。如圖5所示，采用簡單的T型匹配結(jié)構(gòu)，端口1代替信號發(fā)生器，內(nèi)阻為50 Ω。利用ADS軟件中Smith Chart仿真模塊設計排水管道聲吶換能器阻抗匹配參數(shù)，盡量使用元件常用標稱值或者附近值，優(yōu)化后的元件參數(shù)如圖5所示。

元件參數(shù)優(yōu)化的過程實際上是對阻抗匹配二端口網(wǎng)絡散射參數(shù)（Scattering，S參數(shù)）調(diào)整的過程，S參數(shù)反映了換能器T型匹配網(wǎng)絡能量傳遞的特性，如圖6所示。輸入反射系數(shù)[S11]，它是端口1反射功率與輸入功率的比值，此回波損耗越小越好。由圖6可知，500 kHz時回波損耗[S11]為-35.712 dB，如m3點所示?？紤]到聲吶遇到排水管道壁可能產(chǎn)生頻散現(xiàn)象，在480～520 kHz范圍內(nèi)回波損耗[S11]小于-20 dB，滿足工程要求。輸出傳輸系數(shù)[S21]是端口2輸出功率與端口1輸入功率的比值，比值越大，說明輸出能量越多。500 kHz時，[S21]為-0.001 dB，輸入能量幾乎全部輸出，如m4點所示。在480～520 kHz范圍內(nèi)[S21]大于-1 dB，說明換能器T型阻抗匹配電路性能達到了設計目的。

4" 系統(tǒng)實驗測試

根據(jù)設計的阻抗匹配網(wǎng)絡繪制換能器激勵電路，并和排水管道成像檢測的其他電路一起組成完整的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。圖7a）是系統(tǒng)中核心部件探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，左側(cè)為電路倉，本文設計的換能器激勵電路位于此處；右側(cè)為換能器，兩部分通過排線連接傳遞信號。利用機械裝置設計，換能器可以360°旋轉(zhuǎn)并發(fā)射信號，掃描排水管道壁完整一周的信息。圖7b）是搭建的聲吶換能器實驗測試平臺，電纜連接著主機和探頭，主機通過USB線給PC機傳遞測試數(shù)據(jù)，探頭置于方桶容器中，利用方桶模擬排水管道環(huán)境，探頭的換能器部分位于水中。

圖8是方桶聲吶測試結(jié)果對比圖，其中圖a）和圖b）是不加阻抗匹配電路的結(jié)果，圖c）是加入阻抗匹配電路后的結(jié)果。

圖8a）是激勵電壓為100 V時的方桶聲吶成像測試二維圖，由于阻抗不匹配，電聲能量轉(zhuǎn)化效率低，除了和換能器垂直的8個方位有反射信號成像外，其他位置幾乎沒有，方桶的輪廓分辨不清。增強驅(qū)動能量，加大激勵電壓到500 V，得到圖8b）所示的測試結(jié)果，雖然方桶的輪廓大部分呈現(xiàn)出來，但噪聲很大，雪花般的噪聲幾乎鋪滿顯示界面，同時聲吶波二次反射嚴重，整個測試結(jié)果二維圖凌亂，假異常點增多，無法定量分析。圖8c）是加入阻抗匹配電路后激勵電壓為100 V時的結(jié)果，方桶輪廓清晰，可以發(fā)現(xiàn)注入水后方桶四周稍有變形，可以定量分析。聲吶圖中方桶長邊測量距離為584 mm，圖中圓心處環(huán)形圖像是探頭塑料外殼多次反射后成像，可以忽略不計。

基于圖8c）測試結(jié)果，表2是方桶聲吶測量值定量分析的誤差統(tǒng)計結(jié)果，圖9為聲吶換能器檢測量，對應表2中數(shù)據(jù)。分別對方桶的長、寬和對角線三個值進行定量分析，對比了標準毫米尺測量值和聲吶檢測值，誤差率很小，滿足排水管道實際檢測要求。

通過對圖7方桶聲吶測試平臺、圖8測試結(jié)果和表2數(shù)值誤差統(tǒng)計進行分析，得出以下結(jié)果。

1） 設計的聲吶換能器阻抗匹配電路是有效的。測試結(jié)果中圖8c）相對于8a）加入阻抗匹配電路后，在同樣激勵電壓為100 V的情況下，電聲能量轉(zhuǎn)化效率更高，噪聲更低，方桶輪廓清晰。

2） 加入阻抗匹配電路后，聲吶成像檢測結(jié)果定量分析誤差率更低。

表2中方桶長度、寬度和對角線距離的聲吶檢測量相對于實際測量值誤差率分別為1.04%、1.71%和1.37%，符合最新的城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)行業(yè)標準[15]。

5" 結(jié)" 論

本文針對目前聲吶檢測信號易振蕩拖尾、電聲能量互換效率低和排水管道聲吶檢測圖像難以分辨等問題，著重研究導致這些問題的收發(fā)一體聲吶換能器阻抗匹配核心技術(shù)，從聲吶換能器等效電路建模、阻抗匹配網(wǎng)絡設計和電路實現(xiàn)并測試三個方面進行了詳細分析。對排水管道聲吶成像檢測中電聲能量互換關鍵技術(shù)阻抗匹配進行了研究，分析了聲吶換能器特性并建立了電路模型，設計了阻抗匹配網(wǎng)絡電路，搭建了系統(tǒng)測試平臺。

對加入阻抗匹配電路前后的聲吶換能器測試結(jié)果進行了對比分析，實驗結(jié)果表明，聲吶換能器阻抗匹配電路是有效的，被測試物輪廓完整且清晰，聲吶成像成果可用于定量分析；檢測誤差率最大為1.71%，符合行業(yè)標準，對高水位排水管道病癥檢測具有重要意義。

注：本文通訊作者為朱珺。

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