适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法

摘要

本发明公开了一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法，包括前级功率放大器、阻抗匹配网络、磁致伸缩换能器等效电路和阻抗匹配协同控制系统，阻抗匹配网络与前级功率放大器协同控制，静态匹配与动态匹配相结合，共同实现换能器的良好匹配。本发明提出的针对海洋通讯电声换能器的阻抗匹配网络相比于传统的静态匹配，可以在换能器工作环境变化，负载变化的情况下，通过实时测量换能器的等效电阻值和电感值，实现动态匹配，通过检测换能器等效电阻的峰值来跟踪谐振频率，提高系统电声转换效率，减小换能器发热；相比于传统的动态匹配，显著减小二了进制电容阵列的容量，提高精度，进而提高匹配效果。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋通信换能器领域，特别是一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法。

背景技术

声波是在海水中进行目标探测、信息传递的有效工具。海洋通讯技术就是以声波为信息载体对水下目标进行探测、定位以及实现水下相互通信。电声换能器作为海洋通讯系统的重要组成部分，是实现电声能量转换的关键设备，因此提高电声换能器性能、发展海洋通讯技术，是维护海洋权益、保障国家安全的重要保证。

电声换能器作为电能和声能相互转换的关键设备，其工作原理是利用有源材料的压电效应或者磁致伸缩效应实现电能和机械能的相互转换。由于磁致伸缩材料的具有应变大、能量密度高、低频响应快、响应频带宽等特点，成为制作大功率、低频、宽频带海洋通讯电声换能器的理想材料。

电声换能器的重要性能要求是要具有较高的输出功率和较高的能量转化效率。在电声换能器和前级功率放大器之间增加合适的阻抗匹配网络，可以使信号源的输出功率尽可能的转化为换能器的发射功率，以提高整个发射系统的效率，并且匹配良好的网络减少了无功能量的传递，减小了系统发热，有利于系统更长时间安全运行。

阻抗匹配网络一般要起到以下三个功能：

(1)调谐，使负载处于谐振状态而呈现为一个纯电阻，减小功率传输中的无功损耗，以使信号器把最大功率传输到负载上；

(2)变阻，把换能器的高阻抗变至前级率放大器的低输出阻抗，以使换能器获得最大的输出功率，一般通过变压器实现；

(3)滤波，前级功率放大器为开关型设备，输出电压中含有大量的谐波，合理的设计匹配网络可以滤除一定的谐波，减轻功率放大器负担，增加系统效率。

传统的压电换能器通常采用串联和并联电感电容元件来进行阻抗匹配，而电声通信系统中，换能器阻抗在频带内随谐振频率变化，传统的换能器阻抗匹配电路无法完成换能器与信号源在整个频带内的阻抗匹配，并且对于磁致伸缩型阻抗匹配方法研究较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法，提高换能器能量转换效率，实现在换能器空载谐振频率处的良好匹配，同时可以实时跟踪由于工作环境和负载变化引起的谐振频率偏移，进行动态匹配。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统，包括阻抗匹配网络；所述阻抗匹配网络与换能器连接；所述阻抗匹配网络包括匹配变压器；所述匹配变压器原边接功率放大器；所述匹配变压器副边接静态匹配电容；所述静态匹配电容与二进制增电容阵列、二进制减电容阵列并联；所述静态匹配电容接所述换能器。

所述二进制增电容阵列C_in初始状态为全部断开，所述二进制减电容阵列C_de初始状态为全部闭合；空载时计算的电容补偿量C_{com_0}为：负载时计算的电容补偿量C_{com_m}为：其中，ω₀为空载时换能器谐振频率，L_{eq_0}为空载时换能器等效电感，ω_m为负载时换能器谐振频率，L_{eq_m}为负载时换能器等效电感。

所述静态匹配电容的容值二进制增电容阵列C_in的容值二进制减电容阵列C_de的容值其中，C_{in_v}为二进制增电容阵列C_in的容量；C_{de_v}为二进制减电容阵列C_de的容量。

所述换能器简化为等效电阻R_eq和等效电感L_eq串联，且其空载时换能器的等效电阻R_{eq_0}和等效电感L_{eq_0}由阻抗测量仪测得，负载时换能器的等效电阻R_{eq_m}和等效电感L_{eq_m}由数字处理器DSP实时求得。

相应的，本发明还提供了一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统的匹配方法，包括以下步骤：

1)测量换能器的阻抗曲线，确定换能器的空载谐振频率，空载等效电阻值R_{eq_0}，等效电感值L_{eq_0}；确定匹配变压器的变比、二进制增电容阵列的容量C_{in_v}和二进制减电容阵列的容量C_{de_v}；利用公式确定静态匹配电容C₀的容值；

2)实时采样换能器的输入电压u和输入电流i；

3)对输入电压u的有效值U和输入电流i的有效值I进行检测，用有效值计算出换能器等效阻抗的模值Z＝U/I，采用过零计数法对电压信号和电流信号的相角差进行检测，计算负载时换能器等效电阻值R_{eq_m}和负载时等效电感值L_{eq_m}；

4)调整功率放大器的输出频率，使实测的等效电阻值R_{eq_m}最大，实时跟踪换能器负载时的换能器谐振频率ω_m；

5)跟踪负载时的换能器谐振频率ω_m后，利用公式确定二进制增电容阵列C_in的容值；利用公式确定二进制减电容阵列C_de的容值；其中，C_{in_v}为二进制增电容阵列C_in的容量；C_{de_v}为二进制减电容阵列C_de的容量；

6)匹配良好(即电压电流相位一致，通过计算的电容值补偿实现)后，控制前级功率放大器输出恒定功率。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

(1)通过阻抗匹配网络和前级功率放大器的协同控制，在实现对换能器谐振频率的自动跟踪和良好补偿同时，实现输出恒定功率控制，显著提高换能器能量转换效率，和设备性能，实现设备长时间安全运行；

(2)通过静态阻抗匹配和动态阻抗匹配相结合的方式，实现了在换能器空载谐振频率处的良好匹配，同时可以实时跟踪由于工作环境和负载变化引起的谐振频率偏移，进行动态匹配；

(3)通过静态阻抗匹配的静态匹配电容C₀补偿了换能器大部分的感性分量，二进制增电容阵列C_in和二进制减电容阵列C_de容量的大小，提高了精度，进而改善了匹配效果。

附图说明

图1为本发明的磁致伸缩型海洋通讯电声换能器阻抗匹配网络结构图；

图2为本发明的磁致伸缩型海洋通讯电声换能器阻抗匹配系统控制框图；

图3为本发明的磁致伸缩型海洋通讯电声换能器阻抗匹配系统仿真波形图；其中，(a)空载时未加匹配，存在相位差；(b)空载时加入静态匹配，不存在相位差；(c)负载时谐振频率偏移，未加入动态匹配，存在相位差；(d)负载时谐振频率偏移，加入动态匹配(增电容补偿)，不存在相位差；(e)负载时谐振频率偏移，未加入动态匹配，存在相位差；(f)负载时谐振频率偏移，加入动态匹配(减电容补偿)，不存在相位差。

具体实施方式

参照图1，磁致伸缩型海洋通讯电声换能器在谐振频率附近恒为感性负载，因此可等效为图1所示的电阻R_eq电感L_eq串联的简化电路，并且其空载时的值R_{eq_0}和L_{eq_0}可由阻抗测量仪测得，负载时的值R_{eq_m}和L_{eq_m}由数字处理器DSP实时求得。

参照图1所示磁致伸缩型海洋通讯电声换能器阻抗匹配系统电路图，为本发明所述的磁致伸缩型海洋通讯电声换能器的主电路图，包括功率放大器、匹配变压器、阻抗匹配网络和换能器等效网络。功率放大器、匹配变压器、阻抗匹配网络和换能器简化等效电路依次相连，其中阻抗匹配网络与换能器简化等效电路之间含有采样电路。

参照图1所示磁致伸缩型海洋通讯电声换能器阻抗匹配系统电路图，匹配变压器原边含有多级抽头，实现变阻功能。假定阻抗匹配变压器变比为1：N，则变换到变压器原边，换能器等效电阻为R_eq/N²，实现将换能器的较大的等效阻抗变换到与功率放大器输出电阻想接近的较小的阻抗值，以实现较大的恒定功率输出值。

参照图1所示磁致伸缩型海洋通讯电声换能器阻抗匹配系统电路图，阻抗匹配网络包括静态匹配电容C₀，实现换能器空载时谐振频率附近的阻抗匹配，采用串联电容的C匹配方式，结合换能器本身的电感，具有滤除带宽内一定谐波的作用。

参照图2所示磁致伸缩型海洋通讯电声换能器阻抗匹配系统控制框图，阻抗匹配网络与前级功率放大器协同控制，前级功率放大器实现动态跟踪换能器谐振频率、恒定功率控制，阻抗匹配网络实现电压电流相位一致，即调谐。所述的海洋通讯电声换能器阻抗匹配电路的控制系统，具体包括电压电流采样调理电路、换能器简化等效电路参数计算、谐振频率动态跟踪、二进制电容阵列计算模块和恒定功率控制模块。

在静态电容C₀在空载谐振频率处良好匹配的基础上，引入二进制增电容阵列C_in和二进制减电容阵列C_de，结合DSP对功率放大器和二进制增电容阵列C_in和二进制减电容阵列C_de进行协同控制，实现对换能器谐振频率的跟踪和动态匹配，并同时实现功率放大器的恒定输出功率控制。它们的计算公式如下：

空载时计算的电容补偿量C_{com_0}：

负载时计算的电容补偿量C_{com_m}：

其中，ω₀为空载时换能器谐振频率，L_{eq_0}为空载时换能器等效电感，ω_s为负载时换能器谐振频率，L_{eq_m}为负载时换能器等效电感。假定二进制增电容阵列C_in的容量为C_{in_v}，二进制减电容阵列C_de的容量为C_{de_v}。

由于减电容阵列初始状态全部闭合，则：

静态匹配电容

二进制增电容阵列C_in：

二进制减电容阵列C_in：

具体步骤如下：

1)测量换能器的阻抗曲线，确定换能器的空载谐振频率，空载等效电阻值R_{eq_0}，等效电感值L_{eq_0}；确定匹配变压器的变比、二进制增电容阵列的容量C_{in_v}和二进制减电容阵列的容量C_{de_v}；利用公式确定静态匹配电容C₀的容值；

2)实时采样换能器的输入电压u和输入电流i；

3)对输入电压u的有效值U和输入电流i的有效值I进行检测，用有效值计算出换能器等效阻抗的模值Z＝U/I，采用过零计数法对电压信号和电流信号的相角差进行检测，计算负载时换能器等效电阻值R_{eq_m}和负载时等效电感值L_{eq_m}；

4)调整功率放大器的输出频率，使实测的等效电阻值R_{eq_m}最大，实时跟踪换能器负载时的换能器谐振频率ω_m；

5)跟踪负载时的换能器谐振频率ω_m后，利用公式确定二进制增电容阵列C_in的容值；利用公式确定二进制减电容阵列C_de的容值；其中，C_{in_v}为二进制增电容阵列C_in的容量；C_{de_v}为二进制减电容阵列C_de的容量；

6)匹配良好后，控制前级功率放大器输出恒定功率。

其中，步骤2)至步骤6)在DSP中实现，控制流程参照图3所示。电压电流采样电路对换能器输入电压u电流i进行采样后，经过信号调理电路，放大滤波后送入DSP进行计算。

在DSP程序中，对电压电流的有效值U和I进行检测，用有效值计算出换能器等效阻抗的模值：

Z＝U/I (6)

在DSP程序中，对电压信号和电流信号的相角差进行检测，计算换能器等效电阻的实时测量值R_{eq_m}和等效电感的实测值L_{eq_m}分别由式(3)、(4)求得：

在DSP程序中，因为机械谐振时换能器具有最大的电阻值，故调整功率放大器的输出频率使实测的等效电阻值R_{eq_m}最大，就可以实时跟踪换能器的机械谐振频率。

在DSP程序中，确定二进制增电容阵列C_in和二进制减电容阵列C_de的调整值，输出数字控制信号给驱动电路，实现阻抗匹配网络的调谐。

在DSP程序中，对功率放大器采用恒定功率控制，以使整个磁致伸缩海洋通讯电声换能器能适应复杂的工作环境，工作在较稳定的状态。