基于水声换能器的驱动和接收电路设计

荣 畋，于肇贤，王宏伟

(北京信息科技大学 理学院，北京 100192)

0 引言

由于海水对电磁波、光波等能量形式的吸收以及深海“会聚区”的存在[1]，声波是目前已知唯一可以在水下远距离无线传输信号的能量形式。振动频率在20 kHz以上的声波称为超声波[2]。相对于普通的声波，超声波指向性更好、穿透力较强、反射性能更好，因此被广泛地应用于信息传输、损伤检测、距离测试以及医疗卫生等领域。但是在传播的过程中，声波在水域信道中的能量损失随着频率的增大而增大，以致水域信道的可用带宽较窄且信息容量较小[3]。因此发射和接收驱动电路的性能对水声通信的质量起着至关重要的作用。

上个世纪，美国Harris Acoustic Products公司和法国、英国研制出的适用于水下舰艇通信的水声通信机[4-5]，采用单边带的调制方式，以大体积水听器为信号发送和接收“窗口”，实现了一定距离的水下通信，但是设备复杂，换能器体积较大、指向性不够尖锐，不适用于民用领域；乔亚拉等[6]组装成了基于 Linux信号处理软件的模拟通信系统，在通道模拟器上实现了远距离的通信，但是理想设计通道与实际水域信道存在差别；周航程等[7]搭建了一个基于并行组合映射序列扩频的水下通信系统，以DSP芯片作为信息处理模块，从而实现了水下平台间信息的隐蔽、高速传输。但是传统上利用555定时器[8]产生特定振动频率的载波以驱动换能器工作的驱动电路，产生的波形频率稳定性较差；而最近新兴的DSP芯片[9-10]处理技术，算法复杂，针对不同的水域需要进行繁杂的计算修改和补偿，不适宜于民用领域的大规模推广。此外，目前已经研制出的通信电路信号收发装置所采用的探头指向性不够尖锐，功率不集中，带宽较窄，不利于信号的发送和接收。而大多数超声波收发装置不适于水域信道工作，无法满足实际民用和军事需求。

本文基于小体积单指向性平面水声换能器，采用双边带调制和相干解调的方法，研制出适用于水下通信的发射和接收驱动电路。该水声通信电路具有较高的频带利用率以及频率可调性，适用0 kHz～12.5 MHz频率范围的换能器，通信距离可达百米。发射驱动电路、接收驱动电路以及电路中的发射换能器和水听器共同组成一套水声通信系统。该系统以发射器和水听器作为信号交流的“窗口”，利用STM32F103RCT6和AD9833为载波信号发生源，并结合相关的调制解调器件，最终实现了稳定、清晰的通信。

1 换能器的制作

1-3型压电复合材料是指一维连通的压电陶瓷柱平行排列于三维连通的聚合物中所形成的材料。相比于纯陶瓷压电材料，1-3型压电复合材料在损伤检测以及发射、接收换能器制作等方面具有更优良的效果。故本系统声波收发模块采用实验室研制的1-3型压电复合材料制成的平面超声换能器[11]，由1-3型压电复合材料平面敏感元件、防水透声层、电极引线以及硬质泡沫和金属盖板组成。

制作换能器之前首先需要使用ANSYS有限元仿真软件进行模型架构和仿真计算。

1.1 1-3型压电复合敏感元件的仿真

在ANSYS有限元仿真软件中，首先设定环氧树脂的单元类型、密度、泊松比和杨氏模量，设定压电陶瓷的密度、刚度矩阵、介电常数矩阵和压电矩阵[11]。

其次，设置1-3型压电复合材料模型的结构：长为100 mm、宽为100 mm、厚为10 mm的平面，其中，聚合物相的宽度是0.28 mm，压电陶瓷小柱的宽度是1.44 mm，高度为10 mm。这样，PZT压电陶瓷小柱占复合材料的体积分数为51.84%。由于1-3型复合材料的模型含有两相材料，在进行仿真计算时计算量大，为了减少计算量，选取1-3型压电复合材料其中一个单元进行仿真计算。1-3型压电复合材料模型结构图和压电陶瓷柱的三维立体图如图1所示。

对1-3型压电复合材料单元进行网格划分，在单元Z轴(长度)方向四周的边界添加对称性边界条件，在压电陶瓷Z轴正向的上表面添加1 V电压，Z=0的下表面添加0 V电压。

设定频率分析类型并选择频率分析范围(50～250 kHz)和步数(100)，之后进行求解与后处理，得到的导纳图如图2所示。

从图2可以看出，换能器符合频率需求，可以按照设置的参数制作敏感元件。

1.2 1-3型压电复合敏感元件的制作

取用长100 mm、宽100 mm、厚10 mm的压电陶瓷块采用正反切割法制作1-3型压电复合材料。先后按照模型设计在长和宽的方向上进行切割，之后灌注环氧树脂618，静置24 h后在反面进行同样的切割，打磨掉厚度方向上多余的环氧树脂，制成1-3型压电复合材料。

使用酒精清洗复合材料表面，并涂覆银浆，用来补偿打磨环氧树脂而被破坏掉的电极，最终制成1-3型压电复合材料敏感元件。

使用Agilent4294A阻抗分析仪对敏感元件进行测试。测试结果表明，1-3型压电复合材料敏感元件在谐振频率为151 kHz时，其带宽为1.71 kHz，声阻抗为17.47 Pa·s/m3，电导值为104.6 mS，机电耦合系数为0.68，机械品质因素为88.18，制成敏感材料测试结果情况良好。

1.3 高频单指向性平面水声换能器的制作

在主要成分为环氧树脂的聚氨酯中加入石墨搅拌制成所需的防水透声层，按照换能器的尺寸制作模具进行灌注密封，最后制成高频单指向性平面水声换能器。

1.4 换能器性能测试

测试换能器的性能，主要包括测量其发送电压响应、接收灵敏度和指向性性能。测量换能器的指向性通常用来绘制其指向性图案。测量过程中，通过旋转待测换能器以达到测量换能器发送响应或接收灵敏度随方位角变化的目的，然后经过换算便得到了换能器的指向性图案。其测试结果如图3所示。

经测试、换算，在谐振频率F=151 kHz时，换能器的发送电压响应为最大值，发射声源级是220.1 dB，发送电压响应是183.8 dB。在谐振时接收灵敏度值为-184.3 dB；测试指向性时，主瓣尖锐，旁瓣较小，并且在下降-3 dB处指向性开角为2.4°，指向性单一。实际制作的换能器谐振频率略高于设计值的原因是因为匹配层的耦合作用。制作的换能器可以运用到本文设计的通信系统中。

2 电路设计

考虑点对点的通信方式以及功率利用率，本文采用双边带(DSB)信号调制和相干解调方式。调制原理如式(1)所示：

uDSB=Kuc(t)·uΩ(t)

(1)

解调原理如式(2)所示：

uc(t)=uDSB(t)·uΩ(t)

(2)

式中:uDSB为已调信号；uc(t)为调制信号；uΩ(t)为载波信号。DSB调制电路本质作用是一个乘法器，利用载波信号来传递基带信号所携带的信息。解调时，已调信号乘上同频同相的载波，再通过一个带通滤波器即可得到原信号。

信号传输时需要的能量转换装置采用本文制作的平面超声换能器。发射和接收驱动电路系统原理如图4所示。

2.1 电路模块

STM32F103RC单片机采用Cortex-M3内核，其CPU最高速度达72 MHz，相对于51、52型号单片机指令执行速度更快、体积更小，便于集成。

AD9833是一款功耗低、可编程的信号发生模块，可以编程产生一定频率范围的正弦波、方波以及三角波等波形。其上的FSYNC端口是输入电平触发端口，作为帧同步和使能信号。当FSYNC为低电平时，数据便可以进行传输。此外，AD9833拥有一个16位的控制寄存器，通过对控制寄存器的编写，AD9833可以工作在用户需要的状态下。使用STM32F103RC型号单片机控制AD9833信号发生模块产生的正弦波失真程度更小。

电路以TPS5430开关电源模块稳压供电，可以提供稳定的5 V、12 V电压，避免因为电源模块的起伏造成信号传输的失真和延迟。

2.2 发射驱动电路

发射驱动电路接收并调制外界音频信号，然后将调制后的信号转换为声信号传递至水域信道中。发射驱动电路由STM32F103RC单片机、AD9833信号发生模块、滤波器模块、功率放大器以及同轴电缆组成。本文设计的发射驱动电路原理如图5所示。

当外界音频信号进入驱动电路后，与载波发生模块生成的150 kHz正弦波在乘法器AD835模块内相乘(双边带调制步骤)，然后带通滤波器滤出乘法器输出信号的部分噪音，由此产生的信号经功率放大器放大后接入发射换能器，最后发射换能器将信号发射至水域中。双边带调制可以把基带信号搬移到载频处，实现多路复用，提高信道的利用率；其次扩展了信号的带宽，提高了本系统的抗干扰能力，提高了信噪比。

本驱动电路中，功率放大器放大信号以驱动换能器工作。外接音频信号可以是电子设备，如手机等的耳机接口传导的音乐，也可以是外界声音经麦克风模块转化传导的信号。

2.3 接收驱动电路

发射换能器将声波信号发射至水域信道后，需要相应的接收驱动电路接收水域信道中的信号，并还原出原调制信号。本文设计的接收驱动电路工作原理如图6所示。

接收驱动电路接收信道中的信号后，经高频导线将其传递至高通滤波器，将电路产生以及在信道中混杂的噪音去除。之后该信号和150 kHz正弦波在乘法器AD835模块内进行乘法运算。乘法器运算后的输出经同轴高频电缆传输至带通滤波器，选取所需要频率段的信号(相干解调步骤)。最终用功率放大器模块TDA2030A驱动扬声器模块，将解调后的信号以音频的形式播放。

在本系统中，发射驱动电路和接收驱动电路均需使用稳压模块TPS5430以保证各个模块电压平稳和稳定运行，滤波器皆为4阶有源滤波器。而调制和解调过程中所使用的载波皆为同频，由STM32F103RC单片机编程后驱动有源AD9833模块产生。

3 实验验证

3.1 水声通信验证

为验证本系统功能，在半径距离约为100 m的湖泊进行水声通信试验。将发射换能器和接收换能器分别放在湖泊直径方向的两边，分别连接发射驱动电路和接收驱动电路。

由于包括诸多泛音成分在内，人的声音频率普遍在8～10 kHz范围内，故随机选取一首歌的音频信号作为调制信号。信号通过示波器显示，原始音频调制信号如图7(a)所示，AD9833输出的150 kHz载波信号如图7(b)所示。

将载波信号、音频调制信号输入乘法器，以此进行初步调制。经示波器测量后，乘法器输出信号如图8所示。

根据图8的频率显示，符合双边带调制规律[12]。将乘法器输出信号经同轴电缆输入功率放大器，在较小的失真范围内提高信号的功率以驱使换能器将信号输出。示波器显示的发射换能器输入信号如图9所示。

在图9中可以观察到，毛刺已经消失，即已经将电路等产生的噪声滤除。

接收换能器即水听器接收到来自信道的信号如图10所示。

水听器接收的信号中含有音频信号、噪音和在信道中因多径效应造成的部分叠加信号，以致在部分信号波形上出现了毛刺、重合现象。接收信号经高通滤波器滤除低频噪音和叠加信号后，和150 kHz正弦波在乘法器和带通滤波器组成的系统内解调，还原出原基带信号，经功率放大器模块TDA2030A驱动扬声器，将原音频信号无失真地播出。播出的音频信号为原音乐信号。经过接收驱动电路还原的音频信号如图11下方波形所示。

图11中对比显示了两种波形，上方显示水听器接收到的信号，下方波形为还原的音频信号波形，音频还原效果良好。比较分析原音频信号和还原音频信号的波形并对比原音频和实际听到的音频音质，结果表明，本系统可以驱动150 kHz的1-3型高频单指向性平面水声换能器，并可以高质量地传输音频信号，播出端音频清晰稳定。

3.2 频率可调性验证

在验证本系统与匹配的换能器正常工作并实现功能后，进行第二个实验来验证本系统频率的可调性。

将信号生成模块进行编程修改，使之与实验室制作的300 kHz换能器进行匹配工作。测试信号传输效果。音频调制信号如图12(a)所示，新还原的音频信号如图12(b)所示。

以示波器检测的信号波形表示传输的音频信号。图12(b)中上方为水听器接收的信号，下方为还原的音频信号波形。通过比较分析系统输入输出的音频信号，可以看出该系统可以高质量地传输音频信号，即本系统可以适应一定频率范围内不同谐振频率的信号。

3.3 性能指标分析

首先在高频精确传输信息的条件下，本系统在150 kHz频率下传播距离超过100 m，这远远超过了很多水下通信系统牺牲信号传输质量而达到的不足百米的水声通信距离[13]。

其次在传输信息带宽性能上，相对于市面上很多带宽200 Hz左右的水声通信系统，本系统传输带宽可达1.71 kHz，这在很大程度上避免了通信时音频信号的失真[14]。

最后在语音通信质量上，以最后接收端播出的语音清晰程度作为衡量标准，相对于很多民用水下语音通信设备噪音大、信号不清晰的情况[15-17]，本系统在相同湖泊条件试验下，播放的音频清晰稳定。

4 结束语

本文从点对点通信以及水声通信的实际应用出发，设计了一套水声通信电路。首先，基于换能器设计的相关理论和实验室已有成果，通过ANSYS有限元仿真软件对换能器结构进行仿真，通过正反切割填充的方法，以高性能敏感材料PZT5-A为压电陶瓷功能材料相，环氧树脂618为聚合物相，填充压电柱间隙，制成单指向性1-3型压电复合材料水声平面换能器。然后，将制成的换能器用于本通信系统，研发了一种结构稳定、通信清晰的水声通信电路。本电路可以实现水下有效通信，且因为调制与解调电路的设计以及载波信号的频率可调性，本电路也可以匹配超声探头实现远距离探伤、测距等功能。