王碩

摘 要 ：本文根據(jù)近年來利用超聲波穿過金屬通信技術(shù)構(gòu)成射頻、超聲混合局域網(wǎng)的研究情況，對通信用電磁聲換能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer）技術(shù)在金屬信道通信中的應(yīng)用研究進行了分析介紹。

關(guān)鍵詞：船舶內(nèi)部通信 超聲波通信 電磁聲換能器

船舶及其裝備的金屬結(jié)構(gòu)對船舶內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可靠性、快速部署與恢復(fù)、部署費用等都有著極大的影響。水密、氣密、耐壓、防化學(xué)、核泄漏等工程的要求，也很難接受在金屬外壁上打孔布線，破壞其金屬結(jié)構(gòu)的完整性。近年來利用超聲波進行有效、實用的穿過金屬通信研究取得了顯著的成果，這使得無損地穿過金屬結(jié)構(gòu)進行通信成為可能。

利用超聲波進行穿過金屬通信，長期沒有有效、實用的產(chǎn)品出現(xiàn)。從技術(shù)上講，存在著兩個關(guān)鍵性的問題：一是要能有效、可靠和實用地進行超聲轉(zhuǎn)換；二是要能有效克服金屬信道固有的，由邊界反射造成的多徑失真，以較高的數(shù)據(jù)率傳送信息。

EMAT換能技術(shù)

在耦合良好的情況下壓電式超聲換能器轉(zhuǎn)換效率高，這對于此發(fā)彼收的通信應(yīng)用來說是有利的。但要做到“耦合良好”，不僅要去除金屬表面原有的涂敷層（如油漆）、氧化物等，還要求金屬表面有一定的光滑度，而且還要使用耦合劑，如油脂、軟膏、水等，在穿過金屬通信研究中則多使用凝膠、環(huán)氧樹脂。然而，在快速部署中未必能進行金屬表面預(yù)處理；在震動或高溫（超過300℃）環(huán)境下粘合也很可能脫開；而粘合劑較長的固化時間也不適合于快速部署。所以應(yīng)尋找一種適合通信應(yīng)用的超聲換能器。

60年代末開始興起的電磁聲換能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer）技術(shù)與壓電式超聲換能器技術(shù)的耦合機制完全不同，它是一種非接觸式的超聲換能技術(shù)。在經(jīng)過了近50年的不懈努力后，已逐步進人了工業(yè)應(yīng)用階段，但其應(yīng)用領(lǐng)域還僅限于材料檢測。

近幾年來，人們開始在穿過金屬通信的研究中采用EMAT技術(shù)，并取得了通過80mm厚的鋼制墻，數(shù)據(jù)傳輸速率達1Mbits/s的測試結(jié)果。

1、EMAT的構(gòu)造和工作原理

EMAT由永久磁鐵和射頻激勵線圈組成。此種換能器通過一種Lorentz力、磁化力和磁致伸縮效應(yīng)（磁彈性）的組合作用，直接在導(dǎo)電材料表面的內(nèi)部，引起與激勵磁場同頻率的震蕩而產(chǎn)生超聲波。通過與此相反的過程，則可在接收端將聲波轉(zhuǎn)換為電信號。通過人為地設(shè)計線圈與靜態(tài)磁場的相對方位，EMAT還可以改變導(dǎo)電材料表面的受力方向，從而產(chǎn)生不同類型的超聲波。

EMAT產(chǎn)生聲波的具體機制較為復(fù)雜，綜合目前的研究文獻：對于非鐵磁材料（如銅、鋁等），Lorentz 力是唯一的機制；而當(dāng)金屬是鐵磁體時，三種機制都起作用，一般情況下磁致伸縮機制占優(yōu)勢，且磁致伸縮機制產(chǎn)生橫波的效率遠高于產(chǎn)生縱波的效率（可高約100倍）。因此實際應(yīng)用的EMAT應(yīng)采取產(chǎn)生徑向極化橫波的配置。

2、.EMAT提離對性能的影響

EMAT提離（liftoff）對其性能的影響，各研究團隊從不同的研究角度進行了測試分析；對金屬表面非導(dǎo)電層的影響則給予了忽略，完全視為提離的一部分。有實驗顯示，通信應(yīng)用時，即使有大體上1mm的提離，EMAT傳輸?shù)男盘枏姸纫仓幌陆档脚c金屬壁密切接觸最大值的80% 。有研究團隊聲稱，當(dāng)EMAT提離距離達7 mm時（如是發(fā)射可達10mm），仍能維持穿過厚鋼制艙壁的，較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。

3、EMAT的應(yīng)用優(yōu)勢與不足

EMAT可以不直接接觸導(dǎo)電表面工作，這就避免了由于耦合劑、覆蓋層和金屬壁之間阻抗失配而引起的任何問題，這是它的突出優(yōu)勢，甚至使它成為在某些情況下唯一可以應(yīng)用的換能器。另外，永久磁鐵還提供了一種可進行機械固定和軸向?qū)实臋C制，即它可以吸附在鐵磁性金屬的表面工作。這些優(yōu)勢使得EMAT可以迅速部署到金屬壁表面。有研究團隊聲稱，在典型的應(yīng)用下，部署一個EMAT系統(tǒng)只需數(shù)分鐘。

還有一個很特別的地方是，橫波不能在粘性流體如空氣和水中傳播，因此，聲波被限制于金屬的局部區(qū)域，可防止外部的偵測。這對于軍事應(yīng)用是有一定意義的。

EMAT的主要缺點是相對于充分耦合的壓電換能器來說換能效率低，對于通信來說，這會惡化信道，加重多徑失真，但也并不是低得無法接受，成功地穿過金屬通信已給予了證明。所以在EMAT激勵線圈中心頻率的選擇上，雖然較高的頻率選擇可提供更大的帶寬，但卻開支了更大的傳輸損耗，為了使系統(tǒng)的信噪比最大化，實際應(yīng)用時就要對各種因素進行平衡。

脈沖位置調(diào)制快速部署聲網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

根據(jù)不同的需求，選擇合適的通信技術(shù)來克服金屬信道傳 輸中固有的多徑干擾，實現(xiàn)可靠通信是相關(guān)研究中另一個主攻方向。這里介紹的EMAT和脈沖位置調(diào)制（PPM）相結(jié)合的快速部署聲網(wǎng)關(guān)演示系統(tǒng)，是英國的研究團隊專為未來可穿過海軍艦艇艙壁的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息流量而設(shè)計的。對這種數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)，脈沖位置調(diào)制是非常有吸引力的，因為：①對于一給定材料，如果已知傳播速度和衰減，就有可能確定最壞情況的多徑參數(shù)。因此，選擇一個適當(dāng)?shù)谋Ｗo間隔就可以保證消除碼間干擾；②實現(xiàn)簡單：印刷電路板可小型化且器件成本可以保持在最低限度；③功率效率高：對于較低數(shù)據(jù)速率，由于發(fā)射占空比低，此方案遠比連續(xù)波調(diào)制功率效率高；④接收機低功率：接收機沒有復(fù)雜的信號處理或不需要其他的計算，功率需求降到最低。這種低成本，低功耗的硬件裝置很適合應(yīng)用于數(shù)據(jù)速率低的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

由于必要的保護時間，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率被限制在50kbps。

1、聲網(wǎng)關(guān)演示系統(tǒng)構(gòu)成概要

圖3是一個系統(tǒng)級的框圖，它突出了聲網(wǎng)關(guān)演示系統(tǒng)的主要部分。網(wǎng)關(guān)的兩個單元必須在金屬艙壁的兩邊被正確、充分地對準，排直。

2、現(xiàn)場測試結(jié)果與討論

第一個ping測試在35 -- 44mm不同厚度的墻壁上進行，平均有1 / 1000的測試失敗。很明顯，表面涂層的變化不影響網(wǎng)關(guān)的性能，正如預(yù)期的那樣。到72mm墻時，測試結(jié)果顯示有110 / 1000的失敗，測試者認為這僅是由于發(fā)射功率有限的原因。最后的測試在一個10mm厚鋼墻上的兩個位置來進行。一個徹底失??；一個中度的丟包。測試者認為從相同鋼板的不同位置獲得的脈沖響應(yīng)性質(zhì)的不一致表明，10mm材料在顯微結(jié)構(gòu)上存在不規(guī)則的間斷。很明顯，金屬的構(gòu)成會阻礙網(wǎng)關(guān)通信方案的有效實施。

結(jié)語

采用EMAT換能器是實用化穿過金屬通信中的一個重大進步。如采用EMAT與QPSK調(diào)制和判決反饋均衡器（DFE）結(jié)合，則可實現(xiàn)超過1Mbps數(shù)據(jù)速率的高速方案。采用OFDM調(diào)制技術(shù)，其數(shù)據(jù)速率可超過10Mbps。另外，人們還對在無法進行外部供電和更換電池的情況下，向金屬壁另一側(cè)的無線網(wǎng)關(guān)傳輸電力的問題進行了有成效的研究。

（作者單位：中國船舶重工集團公司第七二二研究所）