榮 畋，于肇賢，王宏偉

(北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院，北京 100192)

0 引言

由于海水對(duì)電磁波、光波等能量形式的吸收以及深?！皶?huì)聚區(qū)”的存在[1]，聲波是目前已知唯一可以在水下遠(yuǎn)距離無線傳輸信號(hào)的能量形式。振動(dòng)頻率在20 kHz以上的聲波稱為超聲波[2]。相對(duì)于普通的聲波，超聲波指向性更好、穿透力較強(qiáng)、反射性能更好，因此被廣泛地應(yīng)用于信息傳輸、損傷檢測(cè)、距離測(cè)試以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。但是在傳播的過程中，聲波在水域信道中的能量損失隨著頻率的增大而增大，以致水域信道的可用帶寬較窄且信息容量較小[3]。因此發(fā)射和接收驅(qū)動(dòng)電路的性能對(duì)水聲通信的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

上個(gè)世紀(jì)，美國(guó)Harris Acoustic Products公司和法國(guó)、英國(guó)研制出的適用于水下艦艇通信的水聲通信機(jī)[4-5]，采用單邊帶的調(diào)制方式，以大體積水聽器為信號(hào)發(fā)送和接收“窗口”，實(shí)現(xiàn)了一定距離的水下通信，但是設(shè)備復(fù)雜，換能器體積較大、指向性不夠尖銳，不適用于民用領(lǐng)域；喬亞拉等[6]組裝成了基于 Linux信號(hào)處理軟件的模擬通信系統(tǒng)，在通道模擬器上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的通信，但是理想設(shè)計(jì)通道與實(shí)際水域信道存在差別；周航程等[7]搭建了一個(gè)基于并行組合映射序列擴(kuò)頻的水下通信系統(tǒng)，以DSP芯片作為信息處理模塊，從而實(shí)現(xiàn)了水下平臺(tái)間信息的隱蔽、高速傳輸。但是傳統(tǒng)上利用555定時(shí)器[8]產(chǎn)生特定振動(dòng)頻率的載波以驅(qū)動(dòng)換能器工作的驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生的波形頻率穩(wěn)定性較差；而最近新興的DSP芯片[9-10]處理技術(shù)，算法復(fù)雜，針對(duì)不同的水域需要進(jìn)行繁雜的計(jì)算修改和補(bǔ)償，不適宜于民用領(lǐng)域的大規(guī)模推廣。此外，目前已經(jīng)研制出的通信電路信號(hào)收發(fā)裝置所采用的探頭指向性不夠尖銳，功率不集中，帶寬較窄，不利于信號(hào)的發(fā)送和接收。而大多數(shù)超聲波收發(fā)裝置不適于水域信道工作，無法滿足實(shí)際民用和軍事需求。

本文基于小體積單指向性平面水聲換能器，采用雙邊帶調(diào)制和相干解調(diào)的方法，研制出適用于水下通信的發(fā)射和接收驅(qū)動(dòng)電路。該水聲通信電路具有較高的頻帶利用率以及頻率可調(diào)性，適用0 kHz～12.5 MHz頻率范圍的換能器，通信距離可達(dá)百米。發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、接收驅(qū)動(dòng)電路以及電路中的發(fā)射換能器和水聽器共同組成一套水聲通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)以發(fā)射器和水聽器作為信號(hào)交流的“窗口”，利用STM32F103RCT6和AD9833為載波信號(hào)發(fā)生源，并結(jié)合相關(guān)的調(diào)制解調(diào)器件，最終實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、清晰的通信。

1 換能器的制作

1-3型壓電復(fù)合材料是指一維連通的壓電陶瓷柱平行排列于三維連通的聚合物中所形成的材料。相比于純陶瓷壓電材料，1-3型壓電復(fù)合材料在損傷檢測(cè)以及發(fā)射、接收換能器制作等方面具有更優(yōu)良的效果。故本系統(tǒng)聲波收發(fā)模塊采用實(shí)驗(yàn)室研制的1-3型壓電復(fù)合材料制成的平面超聲換能器[11]，由1-3型壓電復(fù)合材料平面敏感元件、防水透聲層、電極引線以及硬質(zhì)泡沫和金屬蓋板組成。

制作換能器之前首先需要使用ANSYS有限元仿真軟件進(jìn)行模型架構(gòu)和仿真計(jì)算。

1.1 1-3型壓電復(fù)合敏感元件的仿真

在ANSYS有限元仿真軟件中，首先設(shè)定環(huán)氧樹脂的單元類型、密度、泊松比和楊氏模量，設(shè)定壓電陶瓷的密度、剛度矩陣、介電常數(shù)矩陣和壓電矩陣[11]。

其次，設(shè)置1-3型壓電復(fù)合材料模型的結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)為100 mm、寬為100 mm、厚為10 mm的平面，其中，聚合物相的寬度是0.28 mm，壓電陶瓷小柱的寬度是1.44 mm，高度為10 mm。這樣，PZT壓電陶瓷小柱占復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)為51.84%。由于1-3型復(fù)合材料的模型含有兩相材料，在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)計(jì)算量大，為了減少計(jì)算量，選取1-3型壓電復(fù)合材料其中一個(gè)單元進(jìn)行仿真計(jì)算。1-3型壓電復(fù)合材料模型結(jié)構(gòu)圖和壓電陶瓷柱的三維立體圖如圖1所示。

對(duì)1-3型壓電復(fù)合材料單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在單元Z軸(長(zhǎng)度)方向四周的邊界添加對(duì)稱性邊界條件，在壓電陶瓷Z軸正向的上表面添加1 V電壓，Z=0的下表面添加0 V電壓。

設(shè)定頻率分析類型并選擇頻率分析范圍(50～250 kHz)和步數(shù)(100)，之后進(jìn)行求解與后處理，得到的導(dǎo)納圖如圖2所示。

從圖2可以看出，換能器符合頻率需求，可以按照設(shè)置的參數(shù)制作敏感元件。

1.2 1-3型壓電復(fù)合敏感元件的制作

取用長(zhǎng)100 mm、寬100 mm、厚10 mm的壓電陶瓷塊采用正反切割法制作1-3型壓電復(fù)合材料。先后按照模型設(shè)計(jì)在長(zhǎng)和寬的方向上進(jìn)行切割，之后灌注環(huán)氧樹脂618，靜置24 h后在反面進(jìn)行同樣的切割，打磨掉厚度方向上多余的環(huán)氧樹脂，制成1-3型壓電復(fù)合材料。

使用酒精清洗復(fù)合材料表面，并涂覆銀漿，用來補(bǔ)償打磨環(huán)氧樹脂而被破壞掉的電極，最終制成1-3型壓電復(fù)合材料敏感元件。

使用Agilent4294A阻抗分析儀對(duì)敏感元件進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，1-3型壓電復(fù)合材料敏感元件在諧振頻率為151 kHz時(shí)，其帶寬為1.71 kHz，聲阻抗為17.47 Pa·s/m3，電導(dǎo)值為104.6 mS，機(jī)電耦合系數(shù)為0.68，機(jī)械品質(zhì)因素為88.18，制成敏感材料測(cè)試結(jié)果情況良好。

1.3 高頻單指向性平面水聲換能器的制作

在主要成分為環(huán)氧樹脂的聚氨酯中加入石墨攪拌制成所需的防水透聲層，按照換能器的尺寸制作模具進(jìn)行灌注密封，最后制成高頻單指向性平面水聲換能器。

1.4 換能器性能測(cè)試

測(cè)試換能器的性能，主要包括測(cè)量其發(fā)送電壓響應(yīng)、接收靈敏度和指向性性能。測(cè)量換能器的指向性通常用來繪制其指向性圖案。測(cè)量過程中，通過旋轉(zhuǎn)待測(cè)換能器以達(dá)到測(cè)量換能器發(fā)送響應(yīng)或接收靈敏度隨方位角變化的目的，然后經(jīng)過換算便得到了換能器的指向性圖案。其測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

經(jīng)測(cè)試、換算，在諧振頻率F=151 kHz時(shí)，換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)為最大值，發(fā)射聲源級(jí)是220.1 dB，發(fā)送電壓響應(yīng)是183.8 dB。在諧振時(shí)接收靈敏度值為-184.3 dB；測(cè)試指向性時(shí)，主瓣尖銳，旁瓣較小，并且在下降-3 dB處指向性開角為2.4°，指向性單一。實(shí)際制作的換能器諧振頻率略高于設(shè)計(jì)值的原因是因?yàn)槠ヅ鋵拥鸟詈献饔?。制作的換能器可以運(yùn)用到本文設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)中。

2 電路設(shè)計(jì)

考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式以及功率利用率，本文采用雙邊帶(DSB)信號(hào)調(diào)制和相干解調(diào)方式。調(diào)制原理如式(1)所示：

uDSB=Kuc(t)·uΩ(t)

(1)

解調(diào)原理如式(2)所示：

uc(t)=uDSB(t)·uΩ(t)

(2)

式中:uDSB為已調(diào)信號(hào)；uc(t)為調(diào)制信號(hào)；uΩ(t)為載波信號(hào)。DSB調(diào)制電路本質(zhì)作用是一個(gè)乘法器，利用載波信號(hào)來傳遞基帶信號(hào)所攜帶的信息。解調(diào)時(shí)，已調(diào)信號(hào)乘上同頻同相的載波，再通過一個(gè)帶通濾波器即可得到原信號(hào)。

信號(hào)傳輸時(shí)需要的能量轉(zhuǎn)換裝置采用本文制作的平面超聲換能器。發(fā)射和接收驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)原理如圖4所示。

2.1 電路模塊

STM32F103RC單片機(jī)采用Cortex-M3內(nèi)核，其CPU最高速度達(dá)72 MHz，相對(duì)于51、52型號(hào)單片機(jī)指令執(zhí)行速度更快、體積更小，便于集成。

AD9833是一款功耗低、可編程的信號(hào)發(fā)生模塊，可以編程產(chǎn)生一定頻率范圍的正弦波、方波以及三角波等波形。其上的FSYNC端口是輸入電平觸發(fā)端口，作為幀同步和使能信號(hào)。當(dāng)FSYNC為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行傳輸。此外，AD9833擁有一個(gè)16位的控制寄存器，通過對(duì)控制寄存器的編寫，AD9833可以工作在用戶需要的狀態(tài)下。使用STM32F103RC型號(hào)單片機(jī)控制AD9833信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的正弦波失真程度更小。

電路以TPS5430開關(guān)電源模塊穩(wěn)壓供電，可以提供穩(wěn)定的5 V、12 V電壓，避免因?yàn)殡娫茨K的起伏造成信號(hào)傳輸?shù)氖д婧脱舆t。

2.2 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路接收并調(diào)制外界音頻信號(hào)，然后將調(diào)制后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)傳遞至水域信道中。發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路由STM32F103RC單片機(jī)、AD9833信號(hào)發(fā)生模塊、濾波器模塊、功率放大器以及同軸電纜組成。本文設(shè)計(jì)的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路原理如圖5所示。

當(dāng)外界音頻信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路后，與載波發(fā)生模塊生成的150 kHz正弦波在乘法器AD835模塊內(nèi)相乘(雙邊帶調(diào)制步驟)，然后帶通濾波器濾出乘法器輸出信號(hào)的部分噪音，由此產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后接入發(fā)射換能器，最后發(fā)射換能器將信號(hào)發(fā)射至水域中。雙邊帶調(diào)制可以把基帶信號(hào)搬移到載頻處，實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，提高信道的利用率；其次擴(kuò)展了信號(hào)的帶寬，提高了本系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了信噪比。

本驅(qū)動(dòng)電路中，功率放大器放大信號(hào)以驅(qū)動(dòng)換能器工作。外接音頻信號(hào)可以是電子設(shè)備，如手機(jī)等的耳機(jī)接口傳導(dǎo)的音樂，也可以是外界聲音經(jīng)麥克風(fēng)模塊轉(zhuǎn)化傳導(dǎo)的信號(hào)。

2.3 接收驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)射換能器將聲波信號(hào)發(fā)射至水域信道后，需要相應(yīng)的接收驅(qū)動(dòng)電路接收水域信道中的信號(hào)，并還原出原調(diào)制信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的接收驅(qū)動(dòng)電路工作原理如圖6所示。

接收驅(qū)動(dòng)電路接收信道中的信號(hào)后，經(jīng)高頻導(dǎo)線將其傳遞至高通濾波器，將電路產(chǎn)生以及在信道中混雜的噪音去除。之后該信號(hào)和150 kHz正弦波在乘法器AD835模塊內(nèi)進(jìn)行乘法運(yùn)算。乘法器運(yùn)算后的輸出經(jīng)同軸高頻電纜傳輸至帶通濾波器，選取所需要頻率段的信號(hào)(相干解調(diào)步驟)。最終用功率放大器模塊TDA2030A驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器模塊，將解調(diào)后的信號(hào)以音頻的形式播放。

在本系統(tǒng)中，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和接收驅(qū)動(dòng)電路均需使用穩(wěn)壓模塊TPS5430以保證各個(gè)模塊電壓平穩(wěn)和穩(wěn)定運(yùn)行，濾波器皆為4階有源濾波器。而調(diào)制和解調(diào)過程中所使用的載波皆為同頻，由STM32F103RC單片機(jī)編程后驅(qū)動(dòng)有源AD9833模塊產(chǎn)生。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 水聲通信驗(yàn)證

為驗(yàn)證本系統(tǒng)功能，在半徑距離約為100 m的湖泊進(jìn)行水聲通信試驗(yàn)。將發(fā)射換能器和接收換能器分別放在湖泊直徑方向的兩邊，分別連接發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和接收驅(qū)動(dòng)電路。

由于包括諸多泛音成分在內(nèi)，人的聲音頻率普遍在8～10 kHz范圍內(nèi)，故隨機(jī)選取一首歌的音頻信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。信號(hào)通過示波器顯示，原始音頻調(diào)制信號(hào)如圖7(a)所示，AD9833輸出的150 kHz載波信號(hào)如圖7(b)所示。

將載波信號(hào)、音頻調(diào)制信號(hào)輸入乘法器，以此進(jìn)行初步調(diào)制。經(jīng)示波器測(cè)量后，乘法器輸出信號(hào)如圖8所示。

根據(jù)圖8的頻率顯示，符合雙邊帶調(diào)制規(guī)律[12]。將乘法器輸出信號(hào)經(jīng)同軸電纜輸入功率放大器，在較小的失真范圍內(nèi)提高信號(hào)的功率以驅(qū)使換能器將信號(hào)輸出。示波器顯示的發(fā)射換能器輸入信號(hào)如圖9所示。

在圖9中可以觀察到，毛刺已經(jīng)消失，即已經(jīng)將電路等產(chǎn)生的噪聲濾除。

接收換能器即水聽器接收到來自信道的信號(hào)如圖10所示。

水聽器接收的信號(hào)中含有音頻信號(hào)、噪音和在信道中因多徑效應(yīng)造成的部分疊加信號(hào)，以致在部分信號(hào)波形上出現(xiàn)了毛刺、重合現(xiàn)象。接收信號(hào)經(jīng)高通濾波器濾除低頻噪音和疊加信號(hào)后，和150 kHz正弦波在乘法器和帶通濾波器組成的系統(tǒng)內(nèi)解調(diào)，還原出原基帶信號(hào)，經(jīng)功率放大器模塊TDA2030A驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，將原音頻信號(hào)無失真地播出。播出的音頻信號(hào)為原音樂信號(hào)。經(jīng)過接收驅(qū)動(dòng)電路還原的音頻信號(hào)如圖11下方波形所示。

圖11中對(duì)比顯示了兩種波形，上方顯示水聽器接收到的信號(hào)，下方波形為還原的音頻信號(hào)波形，音頻還原效果良好。比較分析原音頻信號(hào)和還原音頻信號(hào)的波形并對(duì)比原音頻和實(shí)際聽到的音頻音質(zhì)，結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)150 kHz的1-3型高頻單指向性平面水聲換能器，并可以高質(zhì)量地傳輸音頻信號(hào)，播出端音頻清晰穩(wěn)定。

3.2 頻率可調(diào)性驗(yàn)證

在驗(yàn)證本系統(tǒng)與匹配的換能器正常工作并實(shí)現(xiàn)功能后，進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本系統(tǒng)頻率的可調(diào)性。

將信號(hào)生成模塊進(jìn)行編程修改，使之與實(shí)驗(yàn)室制作的300 kHz換能器進(jìn)行匹配工作。測(cè)試信號(hào)傳輸效果。音頻調(diào)制信號(hào)如圖12(a)所示，新還原的音頻信號(hào)如圖12(b)所示。

以示波器檢測(cè)的信號(hào)波形表示傳輸?shù)囊纛l信號(hào)。圖12(b)中上方為水聽器接收的信號(hào)，下方為還原的音頻信號(hào)波形。通過比較分析系統(tǒng)輸入輸出的音頻信號(hào)，可以看出該系統(tǒng)可以高質(zhì)量地傳輸音頻信號(hào)，即本系統(tǒng)可以適應(yīng)一定頻率范圍內(nèi)不同諧振頻率的信號(hào)。

3.3 性能指標(biāo)分析

首先在高頻精確傳輸信息的條件下，本系統(tǒng)在150 kHz頻率下傳播距離超過100 m，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了很多水下通信系統(tǒng)犧牲信號(hào)傳輸質(zhì)量而達(dá)到的不足百米的水聲通信距離[13]。

其次在傳輸信息帶寬性能上，相對(duì)于市面上很多帶寬200 Hz左右的水聲通信系統(tǒng)，本系統(tǒng)傳輸帶寬可達(dá)1.71 kHz，這在很大程度上避免了通信時(shí)音頻信號(hào)的失真[14]。

最后在語音通信質(zhì)量上，以最后接收端播出的語音清晰程度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于很多民用水下語音通信設(shè)備噪音大、信號(hào)不清晰的情況[15-17]，本系統(tǒng)在相同湖泊條件試驗(yàn)下，播放的音頻清晰穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信以及水聲通信的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套水聲通信電路。首先，基于換能器設(shè)計(jì)的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)室已有成果，通過ANSYS有限元仿真軟件對(duì)換能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，通過正反切割填充的方法，以高性能敏感材料PZT5-A為壓電陶瓷功能材料相，環(huán)氧樹脂618為聚合物相，填充壓電柱間隙，制成單指向性1-3型壓電復(fù)合材料水聲平面換能器。然后，將制成的換能器用于本通信系統(tǒng)，研發(fā)了一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、通信清晰的水聲通信電路。本電路可以實(shí)現(xiàn)水下有效通信，且因?yàn)檎{(diào)制與解調(diào)電路的設(shè)計(jì)以及載波信號(hào)的頻率可調(diào)性，本電路也可以匹配超聲探頭實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探傷、測(cè)距等功能。