水声工程专业电子技术创新实践课程教学项目设计

朱建军 周天 杨友福 于晓阳 张淑娟

摘  要：前沿科研成果向实验教学一线转化是增加实验课程高阶性、创新性和挑战度的重要方式，也是全面提升新时代大学生科研素养、创新潜质和解决科学问题能力的重要途径。该文以电子技术创新实践课程中的实验教学项目为例，以工程实际问题为切入点，设计“水声发射机”综合实验教学项目，从科研项目背景、实验设计、实验结果分析等方面介绍该课程如何结合基础知识融入最新科研成果，并全面进行教学实践的科教融合过程。在整个实验实施过程中，学生更加深入地理解和掌握声呐发射机的工作原理和设计思想，对学生创新思维和科学研究能力的培养具有显著促进作用。

关键词：水声工程；电子技术；实验教学；科教融合；创新思维

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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月份印发了《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》，明确指出高校课堂应满足“两性一度”的评价标准，即高阶性、创新性、挑战度。前沿科研成果向实验教学一线转化是增加实验课程高阶性、创新性和挑战度的重要方式，也是全面提升新时代大学生科研素养、创新潜质和解决科学问题能力的重要途径[1-4]。以科技前沿问题为牵引，实际科研项目为依托，围绕课程知识点设计出适合本科生的实验项目，是拓宽学生视野、激发学生学习兴趣、加深基础理论知识理解、培养系统思维和工程设计思想的有效举措[5-9]。电子技术创新实践课程是水声工程专业一门重要的基础课，课程中涉及知识点多，单一理论授课难以使学生对各知识点融会贯通，也不易建立电子技术基础知识与水声专业间的联系，不利于创新性卓越人才的培养。本文以科研项目主动声呐系统中的低频水声发射机为原型，结合课程知识点，设计“水声发射机”这一实验项目，实现信号产生、功率放大与调节、阻抗匹配等功能，通过功能电路设计和关键技术指标测试，建立电子技术基础知识与水声工程科研项目实际间的联系，在将分散知识点间建立联系的同时与科研项目相结合。加深基础知识理解的同时激发学生学习兴趣，全面提升新时代大学生的科研素养，培养创新潜质和解决科学问题的能力。

一  实验项目背景及意义

水声发射机是主动声呐系统的核心组成部分之一，其良好的多功能性和稳定性直接关系着主动声呐高系统指标的实现和良好性能的发挥[10]。水声发射机探测信号低失真度发射和输出增益的大动态范围调节能力，可有力支撑新型主动声呐的研制，有效解决仿生探测、水下目标辐射动态模拟等前沿需求问题，在水下探测、目标模拟、水声计量测试等领域应用前景广阔[11-13]。振荡器技术和功率放大器技术是电子技术创新实践课程的核心授课内容，而科研项目中水声发射机低失真度信号发射和可调输出增益功能的实现，源于振荡器技术和功率电子线路技术的支撑。以科研项目中的水声发射机设计为题材，设计水声工程专业电子技术创新实践课程实验项目，将优质科研资源转化为人才培养优势，实现从科教并重向科教融合的转变。

二  水声发射机实验原理

（一）  系统构成框图

水声发射机主要由信号产生电路、功率放大电路、电源模块（采用直流稳压电源）、匹配滤波电路和换能器（等效负载）组成，系统构成框如图1所示。功率放大电路将发射信号进行功率放大，驱动后级工作；电源模块为发射系统提供各类电源；匹配滤波电路改善负载阻抗特性，使换能器获得最大输出功率；水声换能器将电能转换为声能辐射声波。

（二）  信号产生电路

根据应用目的和应用场景不同，水声信号包括正弦、线性调频、编码等多种形式，可为连续正弦信号，也可为脉冲信号[14]。本实验中学生可以根据需要设计不同形式的信号波形，下面以连续正弦波水声信号为例进行设计。

常用的正弦信号产生电路依据选频网络选用器件不同可分为RC振荡电路、LC振荡电路和石英晶体振荡电路。RC振荡电路产生的正弦信号频率较低（通常低于1 MHz），而LC振荡电路和石英晶体振荡电路常用于产生高频信号（通常1 MHz以上）[15]。由于水声工程中发射信号频率大多低于1 MHz，本实验采用文式桥RC振荡电路产生低频水声信号，发射信号产生电路原理图如图2所示。

电路中R1、C1、R2和C2构成正反馈兼选频网络（串并联选频网络），元件参数决定信号输出频率，电阻R3、R4接放大器反相输入端构成负反馈网络，实现信号放大和稳幅，R3、R4 的选取关系着电路能否起振与输出信号幅值的平衡。

实际设计时常加入非线性环节（稳幅电路）稳定输出信号幅度，可选用R4为正温度系数热敏电阻或选用R3为负温度系数热敏电阻的方式实现这一功能。本实验引入滑动变阻器Rp并将R3与两个方向颠倒的二极管并联，利用二极管动态电阻随电流变化特性实现稳幅电路功能，详如图2所示。Rp可改变负反馈深度，调整信号输出幅度，并更好地满足振荡的振幅条件和改善波形。

（三）  功率放大电路

功率放大电路是向负载换能器提供功率信号的核心电路。传统水声发射机中功率放大电路多为AB类或D类功率放大电路。AB类功放线性度高，能量转化效率介于A类和D类功放之间，可采用分立晶体管外加相关元件搭建，也可采用集成功放芯片实现功率放大功能，且具有实现简单、稳定性好等特点。

与上文提到的正弦信号形式相匹配，设计的功率放大器采用集成功放芯片LM386。LM386具有自身功耗低、电压增益可调、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。芯片引脚定义及内部电路结构详见芯片手册，典型电路如图3所示。C4为输入端耦合电容、C5为旁路电容、C9为电源去耦电容，输出端接电容C3起隔直和耦合作用；R5和C6构成相位补偿电路，本实验设计负载RL1典型取值为8 Ω。通过LM386引脚1、8设置电容C7和滑动变阻器Rp3串联电路，可改变电压增益，理论调整范围为26～46 dB之间。

（四）  匹配滤波电路

水声发射机的负载多为压电式水声换能器，通常为容性负载，可等效为电容和电阻的并联电路[16]。为了保证高效地将功放电路输出的电功率传输至换能器，通常需由匹配滤波电路进行负载匹配来实现，该电路可起到调谐匹配、阻抗匹配、滤波等作用。

图3  功率放大电路图

采用外加电抗性元件调节水声换能器的输入电抗，使换能器等效阻抗输入相角趋近于零，以减少功率传输中的无功损耗，提高转换效率。实际应用中，通常在换能器两端并联、串联或同时使用串并联电感元件来实现调谐匹配。在串联电感元件的调谐匹配电路中，假设换能器在工作频点上的等效电阻和等效电容分别为RL=1 kΩ和CL=2 nF。

加入串联调谐匹配电感L之后，负载等效阻抗变为

ZL=jωL+ 。（1）

令等号右边的虚部为0，此时，回路达到谐振，输出有功功率最大。所以，当回路谐振时，匹配电感值应为

L=。 （2）

此时，等效电阻变为

R= 。（3）

负载串联电感的调谐匹配电路如图4所示。

图4  匹配电路

最后，采用变压器改变换能器的有功电阻，使其与功放的输出电阻接近或相等，以达到最佳功率传输匹配，使换能器获得最大输出功率。假设调谐匹配后负载经变压器初级看进去的等效电阻为R，变压器次级和初级的匝数比为N，那么由阻抗变换关系可以得

N= 。  （4）

N值确定了不同的阻抗变换关系，决定了功放输出功率大小以及换能器负载获得的驱动电压强度。

三  实验结果分析及教学成效

（一）  实验结果

焊接调试整体实验电路板及测试过程波形如图5（a）所示，实验实现了32.68 kHz无失真正弦波信号的产生（图5（b））和约12 dB电压增益动态范围的调节（实测27.1～45.5 dB，如图5（c）所示）。

同时，对系统通频带进行了测试，测试数据见表1，分析得出本文设计水声发射机系统带宽约为109.3 kHz。

调整Rp1使信源输出信号幅度为0.12 V，计算整机电压增益约为56 dB；负载阻抗按996 Ω计算，得输出功率为2.8W；实测电源输出功率5.4 W，调试电路的工作效率为51.9%。通过上述电路设计与调试，实现并验证了水声发射机稳定频率信号发射以及输出动态范围可调等预期功能。

（二）  教学成效

通过该实验课程的仿真设计和动手实践，学生深入理解了振荡器和功率放大器电路的工作原理，根据项目技术指标要求，通过仿真设计不同参数的电路形式。掌握了相关电子技术的调试手段，通过配合主动声呐系统的其他部分进行系统测试，学生初步建立了基本的系统调试思维以及工程设计思想，提高了处理实际工程问题的能力。通过课程学习，其中3名本科学生作为核心参研人员参与了国家重点研发计划“国家质量基础（NQI）的共性技术研究与应用”重点专项项目，设计并实现了输出动态范围可调的目标模拟声信标发射机，支撑解决了小尺度水池中大定位距离量值的计量测试问题；另外，低失真信号发射技术也被应用于某仿生声呐的设计与研制中，解决了非人造信号的高保真发射问题。通过引入主动声纳设计方面的最新科研成果，开阔学生的专业视野，为学生阐述课程所学知识点与科技前沿之间的逻辑关系，激发学生学习热情，鼓励学生掌握扎实的专业基础知识，将价值塑造、知识传授和能力培养紧密融合，培养卓越科学技术人才。

四  结束语

在水声工程人才培养过程中，将前沿科研成果向实验教学一线转化，让学生接触并思考前沿热点问题，同时与课程理论内容相结合，设计出具有一定高阶性、创新性和挑战度的实验项目，是丰富实验课程体系的重要举措，也是提升实验教学质量的关键所在，有助于形成教学与科研良性互动机制，促进人才培养质量提升。本文以电子技术创新实践课程中实验教学项目为例，依托科研项目成果，设计水声发射机综合实验教学项目，在整个实验项目实施过程中，科研创新意识、工程设计思想一直在潜移默化地影响着学生，促使学生将相关专业知识融会贯通，将理论付诸于实践，对学生创新思维和科学研究能力的培养具有显著促进作用。

参考文献：

[1] 魏政君，李利平，李广龙.培养本科学生创新能力的科研转化实验设计——以“张紧器动态特性实验”设计为例[J].实验室研究与探索，2020，39（11）：204-207.

[2] 王翎力，金京一，谢玉忠，等.科研项目向本科化学综合实验项目转化的探索[J].实验室研究与探索，2019，38（11）：129-133.

[3] 李静，吴明杨，孟晓宇，等.科研成果驱动式的实验教学探索——以储层裂缝导流能力测试为例[J].实验室研究与探索，2023，42（1）：204-207，303.

[4] 孙启鹏，孙泽宸，王芳，等.“两性一度”一流课程“思考训练式”教学实践与探索[J].大学教育，2023（1）：63-65.

[5] 蒋青青，胡军成.科研反哺教学在《新能源技术》中的探索与实践[J].当代化工研究，2023（18）：149-151.

[6] 朱博渊，张春财，李梦成.科研转化教学：基于翻转课堂的“水力学”课程案例式教学研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2023（4）：64-66.

[7] 唐琳，施开波，刘星月，等.科研成果转化为创新教学实验项目的探索与实践[J].实验室研究与探索， 2022，41（9）：174-177，287.

[8] 任二辉，肖红艳，郭荣辉，等.科研实验转化为综合教学实验的探索与实践[J].实验室研究与探索，2020，39（2）：162-164.

[9] 高建国，薛明浩，王强，等.科研成果向教学资源转化的现状与对策研究[J].高等教育研究学报，2023，46（2）：12-16.

[10] 黎曙，朱大非，丁盛，等.一种低压大功率水声发射机的设计与实现[J].舰船电子工程，2022，42（9）：181-186.

[11] 朱建军，张淑娟，周天，等.六自由度水下USBL定位计量装置设计与测试[J].实验技术与管理，2023，40（3）：139-144.

[12] ZHENG X Q， LI D W， SHAN Z C O， et al. Designing of underwater acoustic target simulator based on the measured radiation noise[C]//9th IEEE Joint International Information Technology and Artificial Intelligence Conference， ITAIC 2020. December 11，2020-December 2020（13）：1148-1151.

[13] 吴月东，李雄飞.一种水声目标信号模拟器设计[J].舰船电子工程，2013，33（5）：156-158.

[14] 刘伯胜，黄益旺，陈文剑，等.水声学原理[M].3版.北京：科学出版社，2019.

[15] 李承，徐安静.模拟电子技术[M].2版.北京：清华大学出版社，2020.

[16] 滕舵，杨虎.水声换能器基础[M].2版.西安：西北工业大学出版社，2020.

基金项目：国家自然科学基金面上项目“海底掩埋管道有限声束精细探测机理研究”（42176188）；黑龙江省高等教育教学改革研究项目“‘互联网+视域下创新创业教育改革探索研究”（SJGY20220085）；黑龙江省教育科学规划2023年度重点课题研究成果“课程思政在国防特色专业实验教学中的探索与实践”（GJB1423065）

第一作者简介：朱建军（1981-），男，汉族，河北乐亭人，博士，副教授，博士研究生导师。研究方向为声纳系统设计与测试技术。

*通信作者：杨友福（1982-），男，汉族，黑龙江方正人，博士，实验师。研究方向为水声测试技术。