王雪平，鄧 鍇，蘆 山

(1.中科院聲學(xué)研究所海洋聲學(xué)技術(shù)中心，北京 100190；2.北京市海洋聲學(xué)裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100190)

0 引 言

聲學(xué)多普勒流速儀(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)越來越廣泛地應(yīng)用于對(duì)海洋和河流的開發(fā)利用中，而ADCP聲吶發(fā)射機(jī)性能直接影響水聲設(shè)備的性能。由于聲吶發(fā)射機(jī)在發(fā)射信號(hào)結(jié)束后，仍有余振信號(hào)發(fā)出，使得ADCP接收機(jī)在發(fā)射信號(hào)結(jié)束后不能立即采集信號(hào)。為了避免聲吶發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的余振干擾，ADCP系統(tǒng)設(shè)置了余振盲區(qū)，在余振結(jié)束之后，接收機(jī)才開始接收信號(hào)。余振干擾存在的時(shí)間越長，盲區(qū)也就越大[1]。余振盲區(qū)的存在大大影響了ACDP的性能，所以減小余振干擾時(shí)長也在一定程度上提高了ADCP的性能。本文從可能減小余振持續(xù)時(shí)間的角度出發(fā)，采用實(shí)驗(yàn)的方式，驗(yàn)證所采取的措施能否減小余振衰減時(shí)間。

1 余振及減小余振時(shí)長的方法

聲吶發(fā)射機(jī)中余振存在的根本原因是在發(fā)射機(jī)停止發(fā)射的瞬間，變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈里存儲(chǔ)的能量不能立即釋放掉，而是在換能器負(fù)載回路中慢慢振蕩衰減，換能器負(fù)載回路示意圖如圖1。

圖1 換能器負(fù)載回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of transducer load circuit

圖1中L初和L次分別是變壓器T的初級(jí)和次級(jí)電感，L1表示變壓器連接換能器的引線電感，RL和CL為換能器參數(shù)(容性換能器)。當(dāng)線圈L中流過電流I時(shí)，電感L中存儲(chǔ)的能量E的公式為

在發(fā)射機(jī)停止發(fā)射的瞬間，變壓器初級(jí)線圈流過的電流為I初，次級(jí)線圈和引線電感中的電流為I次，所以在發(fā)射機(jī)停止發(fā)射的瞬間，變壓器初級(jí)線圈中的能量E初為

變壓器次級(jí)線圈中的能量E次為

引線電感中的能量E1為

所以總的能量公式E總為

1.1 減小余振能量的方式

減小余振衰減時(shí)間最根本有效的辦法是減小需要衰減的能量。在滿足輸出功率的條件下，盡量減小變壓器初級(jí)和次級(jí)的儲(chǔ)能，并且盡最大可能減小引線電感的儲(chǔ)能，這些措施將有效減小余振衰減時(shí)間。

在逆變電壓不變的情況下，若變壓器變比不變，輸出功率不變，則輸出電流也不變。所以有效減小儲(chǔ)能的方法有以下兩種：

(1)減小變壓器初級(jí)和次級(jí)的匝數(shù)，以減小初級(jí)和次級(jí)的電感；

(2)盡可能地減小連接線的引線電感。

根據(jù)變壓器工作原理，在輸出功率一定時(shí)，變壓器的初級(jí)電感有最小限值[2]，而變壓器的初、次級(jí)電感與匝數(shù)的平方成正比，減少變壓器匝數(shù)即可減小變壓器的初、次級(jí)電感，從而減少余振能量。減小連接線引線電感將直接減少余振能量，是一種十分有效的縮短余振衰減時(shí)間的方法。

1.2 加快余振能量衰減速度的方法

縮短能量衰減時(shí)間還有另外一種方法，就是加快能量的衰減速度。在圖1中，消耗這部分余振能量最終由換能器的負(fù)載電阻完成，電阻的阻值越小，這部分余振能量消耗得越快，余振持續(xù)的時(shí)間也就越短。所以加快余振的衰減速度，也就是縮短余振的持續(xù)時(shí)間的有效方法。在條件允許的情況下，換能器的電阻值應(yīng)盡量小。

2 減小余振時(shí)長的實(shí)驗(yàn)

針對(duì)可能減小ADCP聲吶發(fā)射機(jī)余振時(shí)長的方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這些方法的可行性。實(shí)驗(yàn)條件如下：

(1)在實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中采用的換能器相同，變壓器的匝比為1:2.5不變。在實(shí)驗(yàn)3中，采用兩種容性換能器，兩者電容值接近，阻值差異較大；

(2)為了方便實(shí)驗(yàn)前后參數(shù)的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中聲吶發(fā)射機(jī)的工作頻率是單頻1.2 MHz；

(3)在實(shí)驗(yàn)中，逆變電壓不變，變壓器的匝比不變，所以變壓器輸出電壓也不變。

2.1 變壓器匝數(shù)減小對(duì)余振時(shí)長的影響

在減少變壓器初次級(jí)的匝數(shù)實(shí)驗(yàn)中，變壓器采用同一個(gè)磁芯，只是變壓器的匝數(shù)改變，變壓器T1的變比是n初:n次=4:10，變壓器T2的變比為n初:n次=2:5。通過示波器測試各自的余振持續(xù)時(shí)間，來驗(yàn)證減少匝數(shù)是否能有效減少余振的時(shí)長。圖2為變壓器T2的余振時(shí)長，從發(fā)射機(jī)停止發(fā)射開始，到余振衰減至1.6 V為止，耗時(shí)162 μs。圖3為變壓器T1的余振時(shí)長。從發(fā)射機(jī)停止發(fā)射開始，到余振衰減至1.6 V為止，耗時(shí)716 μs。

圖2 采用變壓器T2的發(fā)射機(jī)余振時(shí)長Fig.2 Residual vibration duration of the transmitter with transformer T2

圖3 采用變壓器T1的發(fā)射機(jī)余振時(shí)長Fig.3 Residual vibration duration of the transmitter with transformer T1

對(duì)比圖2和圖3的余振時(shí)長數(shù)據(jù)可知，僅僅減少變壓器的匝數(shù)，其它的工作條件均不改變，余振時(shí)間減小了554 μs，變壓器匝數(shù)減少之后的余振時(shí)長僅為匝數(shù)減少之前余振時(shí)長的23%，所以變壓器的匝數(shù)減小對(duì)減少余振時(shí)間十分有效。

假設(shè)發(fā)射機(jī)變壓器的變比為1:ns，把變壓器次級(jí)的負(fù)載RL等效到變壓器的初級(jí)側(cè)，其等效負(fù)載為。在變壓器的初級(jí)電路中，變壓器初級(jí)的感抗應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于等效阻抗，即

因?yàn)長初與變壓器初級(jí)匝數(shù)的平方成正比，但受變壓器初級(jí)最小電感量的限制，變壓器的初級(jí)匝數(shù)可取滿足最小初級(jí)電感量的匝數(shù)值。

2.2 引線電感減小對(duì)余振時(shí)長的影響

聲吶發(fā)射機(jī)變壓器輸出的電壓信號(hào)通過飛線連接到換能器，由于材質(zhì)不同，不同的連接線的寄生電感也不同。采用阻抗分析儀測試，兩種長度相同的連接線，連接線A在1.2 MHz時(shí)電感為30 nH，另一種連接線B的電感為57 nH。僅僅更換這兩種連接線，其他的實(shí)驗(yàn)條件均相同，通過示波器測試各自的余振持續(xù)時(shí)間。圖4是采用連接線A時(shí)的余振時(shí)長，從發(fā)射機(jī)停止發(fā)射開始，到余振幅度衰減至1.6 V為止，耗時(shí)269 μs。圖5是采用連接線B的余振時(shí)長，從發(fā)射機(jī)停止發(fā)射開始，到余振幅度衰減至1.6 V為止，耗時(shí)293 μs。對(duì)比圖4和圖5的余振時(shí)長數(shù)據(jù)可知，僅僅改變連接線，其它的工作條件均不改變，余振時(shí)間減小了24 μs，所以采用引線電感小的連接線可以在一定程度上減小余振時(shí)長。

選取連接線時(shí)可采用阻抗分析儀測量各種連接線的引線電感，選用引線電感最小的導(dǎo)線作為連接線。

圖4 采用電感為30 nH的連接線A時(shí)的發(fā)射機(jī)余振時(shí)長Fig.4 Residual vibration duration of the transmitter with the connecting line A of 30 nH

圖5 采用電感為57 nH的連接線B時(shí)的發(fā)射機(jī)余振時(shí)長Fig.5 Residual vibration duration of the transmitter with the connecting line B of 57 nH

2.3 換能器阻值減小對(duì)余振時(shí)長的影響

在換能器灌裝完成后，無法直接減小換能器的電阻參數(shù)。換能器的阻值大小對(duì)聲吶發(fā)射機(jī)余振時(shí)間的影響實(shí)驗(yàn)，是通過更換阻值更小的換能器來實(shí)現(xiàn)的。阻抗分析儀測試換能器A在1.2 MHz時(shí)的電阻、電容參數(shù)分別為9.8 Ω，7.9 nF，換能器B在1.2 MHz時(shí)的電阻、電容參數(shù)分別為4.5 Ω，7.7 nF。換能器A和B的電容參數(shù)接近，電阻參數(shù)相差較大，實(shí)驗(yàn)過程中僅僅將換能器A更換為換能器B，其他實(shí)驗(yàn)條件均不改變。圖6是連接換能器A時(shí)的余振時(shí)長，從發(fā)射機(jī)停止發(fā)射開始，到余振衰減至1.6 V為止，耗時(shí)259 μs。圖7是連接換能器B時(shí)的余振時(shí)長，從發(fā)射機(jī)停止發(fā)射開始，到余振衰減至1.6 V為止，耗時(shí)162 μs。對(duì)比圖6和圖7的余振時(shí)長，換能器阻值更小時(shí)可以加快余振的衰減速度。

圖6 連接換能器A時(shí)的發(fā)射機(jī)余振時(shí)長Fig.6 Residual vibration duration of the transmitter when connecting transducer A

圖7 連接換能器B時(shí)的發(fā)射機(jī)余振時(shí)長Fig.7 Residual vibration duration of the transmitter when connecting transducer B

3 結(jié) 論

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，減小變壓器的匝數(shù)、采用引線電感較小的連接線和減小換能器阻值這三種方法均可在不同程度上縮短余振的衰減時(shí)間。采用引線電感較小的連接線是一種容易實(shí)現(xiàn)的方法，而變壓器的匝數(shù)有最少匝數(shù)限制，不可隨意減小。換能器的電阻參數(shù)與換能器的材料、尺寸以及加工工藝有關(guān)。通過減少變壓器的匝數(shù)，減小換能器的等效電阻縮短余振時(shí)長，這種兩種方法雖然不易實(shí)現(xiàn)，仍應(yīng)在允許的范圍內(nèi)做出努力，以盡可能提高ADCP的性能。