减小声呐发射机余振时长的方法研究

王雪平，邓 锴，芦 山

(1.中科院声学研究所海洋声学技术中心，北京 100190；2.北京市海洋声学装备工程技术研究中心，北京 100190)

0 引 言

声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)越来越广泛地应用于对海洋和河流的开发利用中，而ADCP声呐发射机性能直接影响水声设备的性能。由于声呐发射机在发射信号结束后，仍有余振信号发出，使得ADCP接收机在发射信号结束后不能立即采集信号。为了避免声呐发射机产生的余振干扰，ADCP系统设置了余振盲区，在余振结束之后，接收机才开始接收信号。余振干扰存在的时间越长，盲区也就越大[1]。余振盲区的存在大大影响了ACDP的性能，所以减小余振干扰时长也在一定程度上提高了ADCP的性能。本文从可能减小余振持续时间的角度出发，采用实验的方式，验证所采取的措施能否减小余振衰减时间。

1 余振及减小余振时长的方法

声呐发射机中余振存在的根本原因是在发射机停止发射的瞬间，变压器的初级和次级线圈里存储的能量不能立即释放掉，而是在换能器负载回路中慢慢振荡衰减，换能器负载回路示意图如图1。

图1 换能器负载回路示意图Fig.1 Schematic diagram of transducer load circuit

图1中L初和L次分别是变压器T的初级和次级电感，L1表示变压器连接换能器的引线电感，RL和CL为换能器参数(容性换能器)。当线圈L中流过电流I时，电感L中存储的能量E的公式为

在发射机停止发射的瞬间，变压器初级线圈流过的电流为I初，次级线圈和引线电感中的电流为I次，所以在发射机停止发射的瞬间，变压器初级线圈中的能量E初为

变压器次级线圈中的能量E次为

引线电感中的能量E1为

所以总的能量公式E总为

1.1 减小余振能量的方式

减小余振衰减时间最根本有效的办法是减小需要衰减的能量。在满足输出功率的条件下，尽量减小变压器初级和次级的储能，并且尽最大可能减小引线电感的储能，这些措施将有效减小余振衰减时间。

在逆变电压不变的情况下，若变压器变比不变，输出功率不变，则输出电流也不变。所以有效减小储能的方法有以下两种：

(1)减小变压器初级和次级的匝数，以减小初级和次级的电感；

(2)尽可能地减小连接线的引线电感。

根据变压器工作原理，在输出功率一定时，变压器的初级电感有最小限值[2]，而变压器的初、次级电感与匝数的平方成正比，减少变压器匝数即可减小变压器的初、次级电感，从而减少余振能量。减小连接线引线电感将直接减少余振能量，是一种十分有效的缩短余振衰减时间的方法。

1.2 加快余振能量衰减速度的方法

缩短能量衰减时间还有另外一种方法，就是加快能量的衰减速度。在图1中，消耗这部分余振能量最终由换能器的负载电阻完成，电阻的阻值越小，这部分余振能量消耗得越快，余振持续的时间也就越短。所以加快余振的衰减速度，也就是缩短余振的持续时间的有效方法。在条件允许的情况下，换能器的电阻值应尽量小。

2 减小余振时长的实验

针对可能减小ADCP声呐发射机余振时长的方法，设计了相应的实验来验证这些方法的可行性。实验条件如下：

(1)在实验1和实验2中采用的换能器相同，变压器的匝比为1:2.5不变。在实验3中，采用两种容性换能器，两者电容值接近，阻值差异较大；

(2)为了方便实验前后参数的对比，实验中声呐发射机的工作频率是单频1.2 MHz；

(3)在实验中，逆变电压不变，变压器的匝比不变，所以变压器输出电压也不变。

2.1 变压器匝数减小对余振时长的影响

在减少变压器初次级的匝数实验中，变压器采用同一个磁芯，只是变压器的匝数改变，变压器T1的变比是n初:n次=4:10，变压器T2的变比为n初:n次=2:5。通过示波器测试各自的余振持续时间，来验证减少匝数是否能有效减少余振的时长。图2为变压器T2的余振时长，从发射机停止发射开始，到余振衰减至1.6 V为止，耗时162 µs。图3为变压器T1的余振时长。从发射机停止发射开始，到余振衰减至1.6 V为止，耗时716 µs。

图2 采用变压器T2的发射机余振时长Fig.2 Residual vibration duration of the transmitter with transformer T2

图3 采用变压器T1的发射机余振时长Fig.3 Residual vibration duration of the transmitter with transformer T1

对比图2和图3的余振时长数据可知，仅仅减少变压器的匝数，其它的工作条件均不改变，余振时间减小了554 µs，变压器匝数减少之后的余振时长仅为匝数减少之前余振时长的23%，所以变压器的匝数减小对减少余振时间十分有效。

假设发射机变压器的变比为1:ns，把变压器次级的负载RL等效到变压器的初级侧，其等效负载为。在变压器的初级电路中，变压器初级的感抗应远远大于等效阻抗，即

因为L初与变压器初级匝数的平方成正比，但受变压器初级最小电感量的限制，变压器的初级匝数可取满足最小初级电感量的匝数值。

2.2 引线电感减小对余振时长的影响

声呐发射机变压器输出的电压信号通过飞线连接到换能器，由于材质不同，不同的连接线的寄生电感也不同。采用阻抗分析仪测试，两种长度相同的连接线，连接线A在1.2 MHz时电感为30 nH，另一种连接线B的电感为57 nH。仅仅更换这两种连接线，其他的实验条件均相同，通过示波器测试各自的余振持续时间。图4是采用连接线A时的余振时长，从发射机停止发射开始，到余振幅度衰减至1.6 V为止，耗时269 µs。图5是采用连接线B的余振时长，从发射机停止发射开始，到余振幅度衰减至1.6 V为止，耗时293 µs。对比图4和图5的余振时长数据可知，仅仅改变连接线，其它的工作条件均不改变，余振时间减小了24 µs，所以采用引线电感小的连接线可以在一定程度上减小余振时长。

选取连接线时可采用阻抗分析仪测量各种连接线的引线电感，选用引线电感最小的导线作为连接线。

图4 采用电感为30 nH的连接线A时的发射机余振时长Fig.4 Residual vibration duration of the transmitter with the connecting line A of 30 nH

图5 采用电感为57 nH的连接线B时的发射机余振时长Fig.5 Residual vibration duration of the transmitter with the connecting line B of 57 nH

2.3 换能器阻值减小对余振时长的影响

在换能器灌装完成后，无法直接减小换能器的电阻参数。换能器的阻值大小对声呐发射机余振时间的影响实验，是通过更换阻值更小的换能器来实现的。阻抗分析仪测试换能器A在1.2 MHz时的电阻、电容参数分别为9.8 Ω，7.9 nF，换能器B在1.2 MHz时的电阻、电容参数分别为4.5 Ω，7.7 nF。换能器A和B的电容参数接近，电阻参数相差较大，实验过程中仅仅将换能器A更换为换能器B，其他实验条件均不改变。图6是连接换能器A时的余振时长，从发射机停止发射开始，到余振衰减至1.6 V为止，耗时259 µs。图7是连接换能器B时的余振时长，从发射机停止发射开始，到余振衰减至1.6 V为止，耗时162 µs。对比图6和图7的余振时长，换能器阻值更小时可以加快余振的衰减速度。

图6 连接换能器A时的发射机余振时长Fig.6 Residual vibration duration of the transmitter when connecting transducer A

图7 连接换能器B时的发射机余振时长Fig.7 Residual vibration duration of the transmitter when connecting transducer B

3 结 论

上述实验结果表明，减小变压器的匝数、采用引线电感较小的连接线和减小换能器阻值这三种方法均可在不同程度上缩短余振的衰减时间。采用引线电感较小的连接线是一种容易实现的方法，而变压器的匝数有最少匝数限制，不可随意减小。换能器的电阻参数与换能器的材料、尺寸以及加工工艺有关。通过减少变压器的匝数，减小换能器的等效电阻缩短余振时长，这种两种方法虽然不易实现，仍应在允许的范围内做出努力，以尽可能提高ADCP的性能。