水声换能器在海底通信中的研究

水声换能器在海底通信中的研究

实现智能封堵器的水上水下通讯系统，以完成平台的遥控操作。由于海向(声轴方向)上离其有效声中心参考距离上所产生的自由场声 P压与 f 洋环境的特殊性，采用了水声无线通信方式。水声通信系统不同于传统换能器输入端的激励电压有效值 V 的比值。 的无线通信系统，它必须通过非常特殊的水声信道，即通过海水媒质传 P(1m)?df0 S = (Pam/v)?v [1]V 输信息。海水媒质极为复杂多变，传播过程中媒质对声能的吸收和波 参考距离 d=1m，S的分贝表示成为发射电压响应级: 0v 阵面的扩展导致信号的衰减;海面和海底对声波的散射和反射导致了 Sv 多径现象;还有海水媒质的不均匀性以及水下存在大量的干扰噪声，都 SL=20lg(dB)v(S)基准值(S)=1μPam/v。 ?[1]vref vref换能将使水声信号产生畸变。本文的主要工作完成了在通信过程中起着重 器还有其他的一些特性，如指向性等。 要转换作用的水声换能器的研究以及选型工作，并且通过水试实验确 3.水声换能器 FS Q- 37 定了信号的水下传输频率。经过调研和选型，本文水试实验中采用的水声发射换能器是中国

科学院水声研究所研制的浅海圆柱型压电陶瓷换能器 FSQ-37 。压电陶 瓷换能器是当前水声领域中广泛使用的一类换能器。其主要优点为:(1) 当它工作在发射状态时，它可作为强功率辐射器，其电声效率也较高， 约在 30- 70%之间;(2)当它工作在接收状态用作接收器时，它有较高的 接收灵敏度，约几十至几百微伏/ 帕;(3)它可作为各种形状的换能器，

如复合棒型、柱型和球型等换能器。具有结构简单、工作性能稳定的特[6] 点。 发射换能器外观见图 2。 图 1 智能封堵器通信过程示意图

水声换能器是实现电声能量相互转换的器件，根据用途可分为发 射器和接收器(或水听器)。智能封堵器通信信号流程如图1 所示。此通 信系统主要研究的是从母船或平台计算机操作界面发出指令数据，将 数字信号经由 modem转换调制成模拟 信号，经过功率放大匹配电路， 送至水声换能器，转换成声信号。作为工程水声领域的重要研究方向， 水声换能器及其基阵是多门学科的综合利用，涉及到水声学、物理学、 电子学、机械学、材料学甚至化学的有关知识。它的研究为解决水下信 [2] 息的可靠传输和交换提供了重要的技术保障。 图 2 发射换能器 FSQ-37 2.水声换能器的主要性能参数水试实验中所用的 FSQ- 37圆柱型压电陶瓷换能器的主要参数见 在水声换能器的选型过程中考虑的主要性能参数有:(1 )工作频率 表 1。 换能器的工作频率是在特定的条件下依据声纳方程来选定的，并 表 1 发射换能器主要参数且其他一些重要的性能指标如指向性、发射声功率和接收灵敏度等均 [3]随频率变化。对于发射器来讲，一般皆使它工作在谐振基频上以获得 波束宽度垂直方向椭圆形能场分布大功率发射和高效率特性。对于水听器来说，则希望它工作在具有平坦 见图 3发射灵敏度的接收响应的频段上。 见图 4接收灵敏度(2)频带宽度 Δf 和机械品质因素 Q m

谐振点并联电阻Ro=20Ω 1 Δf 频带宽度 Δf 与品质因素 Q有如下关系:= ，其中 f是机械m 0 Qf共振频率。品质因圆柱型水声换能器的发射响应和接收灵敏度见图 3 和 4。 m 0 素 Q与换能器的材料、结构尺寸、机械损耗及辐

射阻 m 抗有关，机械损小，则 Q愈低，耗和辐射阻抗愈大以及在共振频率附近的等效质量愈 m 带宽变宽。

(3)自由场接收电压灵敏度 自由场是指均匀、各向同性、没有边界 的媒质，而实际中只是近似

[4] 是换能器输出端的开路电自由场，如消声水池。自由场电压灵敏度M e压 e与声场中引入换能器前在放置换能器位置处的自由场声P压的 0 j

比值，表示为 M=e/P，而自由场电压灵敏度级定义为:e0j e0 ML=20lg( )- 120(dB)ePj 其基准值为 1V/μPa。 (4)自由场发 (下转第 532 页) 图 3 发射响应 射电压响应

序在两次中断间执行所产生的时间误差，因此重装的初值为 3CC2H。然 后将存放在 55H的秒的个位数取出 ，查表所得到了相应的数码管的段

码，直接送到 P1 端口输出，然后再将对应的位码(选择第 6 个数码管显 后开始循环计数，即 num加 1,当 num加 到 20 的时候，T0 就产生了 1s 示)送到 P2 端口输出并调用延时子程序。 的中断，然后开始执行 num清零和秒单元 加 1，再开始判断秒，分，时是 2.5 整点报时子程序设计 否要进位或清零的程序。具体的程序流程图如图 4 所示。 在整点报时子程序中(定义 P3.4 为整点报时的输出口)，首先判断 2.3 秒表控制子程序设计在秒表计时的过程中, 时钟运行时的秒单元储存的是以 1/100s 为 分和秒是否都为 0，如果都为 0 的话，给 P3.4输出低电平 ，使蜂鸣器发

一个单位变化的秒数 ，而分单元储存的则是秒表计时的秒数，而时单元 出嘀声，持续时间为 1s。如果还没有到整点的话(即分和秒的值相加不 为 0)，就返回到主程序执行下个操作。 储存的则是秒表计时的分钟数。 在秒表控制子程序中，使用定时器 T1 产生中断，保护现场后给 T1 2.6 秒表显示子程序设计 在秒表显示子程序的设计中，基本和时

装入初值 D8F0H，即产生一次中断为 10ms。当 T1 产生中断的时候，就 钟显示子程序过程类似，只 是在秒表显示子程序中加入了一个延时程序，使得 LED 数码管可以固 转到 T1 中断入口执行中断程序。先保护现场再重装初值，后使秒单元 定显示秒表计时的数字，持续时间为 2s。而如果不添加这个秒表显示子 内容加 1，并判断秒单元内容是否为 100，如果小于则恢复现场并从中 断返回，如此循环直到秒单元内容等于 100。当秒单元内容为 100 时使 程序而直接调用原先的时钟显示子程序的话，秒表计时的结果就不是 固定不动的显示了，会由于时钟的运行显示而被覆盖。秒单元清零，分单元加 1 再判断分是否要进位。当分单元的值小于 60 时就恢复现场和中断返回，等下次中断后再重新执行。当分单元的内容 3.系统调试3.1 电路连接部分测试 首先要测试各器件本身是否能正常工作，等于 60 的时候，给时单元加 1 并给分单元清零，然后再判断时单元内 容是否等于 60，如果小于 60 的话就恢复现场和中断返回，等下次中断 画出元器件的引脚图，然 后再将元器件按照原理图排列并连好所有导线，并用万用表测试各连后再重新执行。如果等于 60 的时候，就给时单元清零并显示然后跳出 中断。具体的程序流程图如图 5 所示。 接导线是否能够正常导通，确保单片机能正常工作和硬件电路连接正

确后开始进行实物调试。 3.2 数字时钟实物的运行与调试 首先是软件调试，在单片机开发综合实验装置上进行硬件仿真来 调试程序是否正确执行。试运行后，根据时钟运行情况来做一些相应的 修改，比如说，时钟显示不稳定，易乱跳，显示乱码，是由于单片机的运

行与程序的执行不能同步进行造成的，如某些需要复位的地方单片机 没有立即复位就执行下一操作，造成了单片机运行混乱，因此应该将程

序做一些修改，尽量减少跳转指令的使用而采用调用子程序的方法来 代替。而在修改了程序之后，时钟的运行就稳定了很多。其次是实物调试，测试线路确定无误时连接 5V 电源调试。当连接 到 5V 电源的时候，数码管显示模糊不清，亮度很小，这是由于单片机管 脚的输出电流太小不能够完全驱动数码管，因此需要在 P1 的每个端口 并联一个 1K 的电阻使数码管有足够的亮度来显示。

4.总结

设计采用单片机 AT89C51作为核心控制 器，实现具有时钟、校时、 秒表、整点报时功能的数字时钟。随着人们生活水平的提高，人们对数

字钟的要求越来越高，由单一的计时功能发展到现在有各种功能的数 字时钟。而用单片机作为数字时钟的控制核心可以使硬件电路简单稳 定，减小电磁干扰和其他环境干扰，充分发挥软件编程的优点，减少因 图 5 定时器 T1 的程序流