技术领域
[0001] 本
发明涉及一种应用于水下低频声
信号发射的装置，为水声学研究技术领域。
背景技术
[0002] 在水声学研究中，低频声源是常用的水下设备，而由信号发生器、功率
放大器与低频换能器等标准通用水声设备构成的常规水下声信号发射系统，不仅体积、重量较大，给使用者带来不便，而且这类通用设备需要外部交流电源供电，这样在野外水域进行试验时，往往需要发电设备提供外部电源，而发电设备的振动与
辐射噪声传播到水下，又会污染水下试验声源发射的有用声信号，给试验过程带来意外干扰。
[0003] 在有些情况下，在湖上试验与海上试验中，要求水下发射声源的持续工作时间并不长。往往只需要数十分钟内的连续发射。而现代小型锂
电池组或
燃料电池组在这样的时间段内完全能够提供稳定的工作
电压与
电流；由单片集成
电路构成的小型信号发生电路与功率放大电路，产生的功率信号驱动磁电式弯张换能器，就能够在短时间内发射出高声源级的低频水下声信号。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种小型水下低频声学发射器，其目的是针对湖、
海水声工程试验中水下声源实际持续工作时间较短的特点，采用电池组供电、并通过采用集成度较高的数字芯片与模拟集成芯片实现小型化设计，使得小型化的信号发生电路与功率放大电路完成常规通用仪器的功能，降低使用、维护方面的复杂程度，同时减小对外部交流电源的依赖，避免了引入外部噪声干扰。
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案为：该种小型水下低频声学发射器，包括信号发生电路、功率放大电路、磁电弯张换能器和电池组。
[0006] 信号发生电路包括限带噪声信号发生器电路与
数字信号发生器电路两部分；限带噪声信号发生器电路利用齐纳
二极管在达到齐纳电压、工作在
雪崩状态时产生宽带交流噪声信号，该宽带交流噪声信号经过放大以及
带通滤波后，形成限带噪声信号；数字信号产生电路是由
单片机控制直接数字
频率合成器DDS芯片的频率控制字，产生正弦单频信号、调频信号和扫频信号。
[0007] 功率放大电路包括由两片集成功率
运算放大器，分别为正向放大器与反向放大器，正向放大器的正相输入端与反向放大器的
反相输入端，分别作为发射信号的两个输入端口，正向放大器的输出端OUT+连接至磁电弯张换能器的正输入端，反向放大器的输出端OUT-连接至磁电弯张换能器的负输入端。
[0008] 电池组用于为信号发生电路和功率放大电路供电。
[0009] 该声学发射器连接电池组后，信号发生电路产生低正弦、调频、扫频信号或限带噪声信号，信号经过功率放大电路的放大后，驱动磁电弯张换能器，将
电能转变为机械能，以
声波的形式发射出去。
[0010] 进一步地，限带噪声信号发生器电路具体包括
齐纳二极管电路、正向放大电路和多路
负反馈型带通
滤波器。
[0011] 齐纳二极管电路包括两个齐纳二极管，分别为第一齐纳二极管D1和第二齐纳二极管D2，四个
电阻，分别为第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，两个
三极管，分别为第一三极管Q1和第二三极管Q2，四个电容，分别为第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4，并采用24V
电源电压供电；其中第一三极管Q1的集
电极通过电阻R3连接至24V电源电压，第一三极管Q1的发射极通过电阻R2接地，Q1的基极连接第一齐纳二极管D1的正极，D1的负极一方面通过电阻R1和R3连接至24V电源电压，另一方面通过电容C1接地；第二三极管Q2的集电极通过第三电阻R3连接至24V电源电压，第二三极管Q2的发射极通过第二电容C2接地，第二三极管Q2的基极连接第二齐纳二极管D2的正极，D2的负极一方面通过第四电阻R4和第三电阻R3连接至24V电源电压，另一方面通过第四电容C4接地；第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极直接相连；第三电容C3的正极通过第三电阻R3连接至24V电源电压，第三电容C3的负极作为齐纳二极管电路的输出端。
[0012] 齐纳二极管电路的输出端连接至正向放大电路的正输入端；正向放大电路由运算放大器TLC2262及其外围电路组成；正向放大电路的输出端连接多路负反馈型
带通滤波器的输入端。
[0013] 进一步地，数字信号产生电路中，所采用的直接数字频率合成器DDS芯片为AD9852，所采用的单片机为MSP430F1612单片机。
[0014] 进一步地，正向放大器由型号为OPA512的芯片U2及其外围电路构成，反向放大器由型号为OPA512的芯片U3及其外围电路构成；
[0015] 芯片U2的外围电路还包括第一限流电阻R59、第二限流电阻R61、第三限流电阻R63和第四限流电阻R64、阻抗匹配电阻R62、第一放大控制电阻R58和第二放大控制电阻R60、第三三极管Q13和第四三极管Q14、第一二极管D4和第二二极管D5；
[0016] 芯片U2与外围电路中各器件的连接关系为：芯片U2的4号管脚通过电阻R62接地，芯片U2的5号管脚通过电阻R58接地，芯片U2的3号管脚通过电阻R59连接至+24V电源电压，芯片U2的2号管脚通过第二限流电阻R61连接至芯片U2的1号管脚，第三三极管Q13为PNP结构，第三三极管Q13的基极连接至芯片U2的3号管脚，第三三极管Q13的集电极连接至芯片U2的1号管脚，第三三极管Q13的发射极连接至+24V电源电压；芯片U2的1号管脚连接第一二极管D4的正极，第一二极管D4的负极连接至+24V电源电压，芯片U2的1号管脚通过第二放大控制电阻R60和第一放大控制电阻R58接地；芯片U2的6号管脚通过第四限流电阻R64连接至-24V电源电压，芯片U2的8号管脚通过第三限流电阻R63连接至芯片U2的1号管脚，第四三极管Q14为N
PN结构，第四三极管Q14的基极连接至芯片U2的6号管脚，第四三极管Q14的集电极连接至芯片U2的1号管脚，第四三极管Q14的发射极连接至-24V电源电压；由芯片U2的1号管脚引出正向放大器的输出端OUT+；芯片U2及其外围电路组成的正向放大器的放大倍数为K1＝1+R60/R58；
[0017] 芯片U3的外围电路还包括第五限流电阻R65、第六限流电阻R67、第七限流电阻R70和第八限流电阻R71、阻抗匹配电阻R69、第三放大控制电阻R68和第四放大控制电阻R66、第五三极管Q15和第六三极管Q16、第三二极管D6和第四二极管D7；
[0018] 芯片U3与外围电路中各器件的连接关系为：芯片U3的4号管脚通过阻抗匹配电阻R69接地，芯片U3的5号管脚通过第三放大控制电阻R68接地，芯片U3的3号管脚通过第五限流电阻R65连接至+24V电源电压，芯片U3的2号管脚通过第六限流电阻R67连接至芯片U3的1号管脚，第五三极管Q15为PNP结构，第五三极管Q15的基极连接至芯片U3的3号管脚，第五三极管Q15的集电极连接至芯片U3的1号管脚，第五三极管Q15的发射极连接至+24V电源电压；芯片U3的1号管脚连接第三二极管D6的正极，第三二极管D6的负极连接至+24V电源电压，芯片U3的1号管脚通过第四放大控制电阻R66和第三放大控制电阻R68接地；芯片U3的6号管脚通过第八限流电阻R71连接至-24V电源电压，芯片U2的8号管脚通过第七限流电阻R70连接至芯片U3的1号管脚，第六三极管Q16为NPN结构，第六三极管Q16的基极连接至芯片U3的6号管脚，第六三极管Q16的集电极连接至芯片U3的1号管脚，第六三极管Q16的发射极连接至-
24V电源电压；由芯片U3的1号管脚引出反向放大器的输出端OUT-；芯片U3及其外围电路组成的反向放大器的放大倍数为K2＝-R66/R68。
[0019] 进一步地，磁电弯张换能器的振动部件的材质为具有
磁致伸缩效应特性的稀土材料。
[0020] 进一步地，电池组功率密集型的
锂离子电池或
燃料电池。
[0021] 有益效果：
[0022] (1)、本发明目的是针对湖、海水声工程试验中水下声源实际持续工作时间较短的特点，采用电池组供电、并通过采用集成度较高的数字芯片与模拟集成芯片实现小型化设计，使得小型化的信号发生电路与功率放大电路完成常规通用仪器的功能，降低使用、维护方面的复杂程度，同时减小对外部交流电源的依赖，避免了引入外部噪声干扰。
[0023] (2)、针对这些情况，本发明利用电池组作为
能源，1)单片机与集成DDS(直接频率合成芯片)信号发生器芯片，产生正弦单频、调频或扫频信号。2)利用齐纳二极管达到齐纳电压，工作在“雪崩”状态时产生的宽带噪声信号，经过带通滤波器滤波后形成限带噪声信号。以上两种功能模
块构成信号发生电路；通过集成
功率放大器构成的小型半桥功率放大电路，将
电信号进行功率放大后，驱动磁电式弯张换能器，将电信号转变为声信号，实现正弦单频、扫频、限带噪声信号发射的功能，减小常规水下声源的系统规模，使之小型化并达到方便使用的目的。
[0024] (3)、齐纳二极管工作在“雪崩”状态下，能将直流电压稳定在一定数值上的特性，但此时必然伴随产生宽带的交流噪声，但此时必然伴随产生宽带的交流噪声，在本发明电路中，将“雪崩”状态下伴随产生的宽带交流噪声作为有用信号进行放大，通过带通滤波器后形成限带噪声信号，而直流电压处于带通滤波器的
通带之外，则被滤除掉。本发明电路中同时使用了两个齐纳二极管，使得产生的交流噪声信号发生
叠加，提高了噪声信号强度；本发明中采用模拟电路产生产生宽带噪声的方法，规避了常规方法中使用数字电路进行频率合成的复杂
硬件电路，电路结构简单、元器件数量少、功耗低；而且噪声信号的带宽就由带通滤波器的通带范围来决定，因此可以通过调整带通滤波器的通带范围，来调节限带噪声信号的带宽，电路
稳定性高、调试简单方便。
附图说明
[0025] 图1—小型水下低频声学发射器系统
框图；
[0026] 图2—限带噪声信号发生器电路；
[0027] 图3—数字信号发生器电路；
[0028] 图4—功率放大电路原理图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图并举
实施例，对本发明进行详细描述。
[0030] 本实施例提供了一种小型水下低频声学发射器，其系统框图如图1所示，该发射器包括信号发生电路、功率放大电路、磁电弯张换能器和电池组。
[0031] 信号发生电路
[0032] 信号发生电路包括限带噪声信号发生器电路与数字信号发生器电路两部分。
[0033] 1)、限带噪声信号发生器电路
[0034] 限带噪声信号发生器电路利用齐纳二极管在达到齐纳电压、工作在雪崩状态时产生宽带交流噪声信号，该宽带交流噪声信号经过放大以及带通滤波后，形成限带噪声信号。本实施例中如图2所示为限带噪声信号发生器电路，由图2可以看出限带噪声信号发生器电路具体包括齐纳二极管电路、第一正向放大电路和多路负反馈型带通滤波器。
[0035] 齐纳二极管电路包括两个齐纳二极管D1和D2，四个电阻R1、R2、R3和R4，两个三极管Q1和Q2，四个电容C1、C2、C3和C4，并采用24V电源电压供电。
[0036] 其中三极管Q1的集电极通过电阻R3连接至24V电源电压，Q1的发射极通过电阻R2接地，Q1的基极连接齐纳二极管D1的正极，D1的负极一方面通过电阻R1和R3连接至24V电源电压，另一方面通过电容C1接地。
[0037] 三极管Q2的集电极通过电阻R3连接至24V电源电压，Q2的发射极通过电容C2接地，Q2的基极连接齐纳二极管D2的正极，D2的负极一方面通过电阻R4和R3连接至24V电源电压，另一方面通过电容C4接地。
[0038] 三极管Q1和Q2的发射极直接相连。
[0039] 电容C3的正极通过电阻R3连接至24V电源电压，电容C3的负极作为齐纳二极管电路的输出端。
[0040] 齐纳二极管电路的输出端连接至正向放大电路的正输入端。
[0041] 齐纳二极管的常规用法是作为稳压管使用，是利用了齐纳二极管工作在“雪崩”状态下，能将直流电压稳定在一定数值上的特性，但此时必然伴随产生宽带的交流噪声，但此时必然伴随产生宽带的交流噪声，当作为稳压管使用时，产生的直流电压是有用的，交流噪声是无用的、需要被滤除的部分。但在本发明电路中，齐纳二极管的用法恰好相反，将“雪崩”状态下伴随产生的宽带交流噪声作为有用信号进行放大，通过带通滤波器后形成限带噪声信号，而直流电压处于带通滤波器的通带之外，则被滤除掉。
[0042] 电路中同时使用了两个齐纳二极管，使得产生的交流噪声信号发生叠加，提高了噪声信号强度；利用齐纳二极管工作在“雪崩”状态下伴随产生宽带交流噪声的方法，与齐纳二极管的常规用法恰好相反，此种采用模拟电路产生产生宽带噪声的方法，规避了常规方法中使用数字电路进行频率合成的复杂硬件电路，电路结构简单、元器件数量少、功耗低。
[0043] 正向放大电路由运算放大器TLC2262及其外围电路组成。
[0044] 正向放大电路的输出端连接多路负反馈型带通滤波器的输入端。
[0045] 其中D1、D2采用的是齐纳二极管2CW107，当外加反向电压超过9.5V时，达到二极管2CW107的反向
击穿电压，由齐纳二极管的伏-安特性曲线可知，这时处于
雪崩击穿工作状态，产生宽带连续噪声信号。而电阻R1、R2、R3、R4，起到将24V电源电压分压与限流的作用，使加在齐纳二极管D1、D2上的保持在9.5V以上；电容C1、C2起到储能与电压保持的作用，电容C3、C25、C27起到直流电压隔离的作用；三极管Q1、Q2采用的晶体管型号是2N3904，将噪声信号进行放大；运算放大器TLC2262(N5A)构成正向放大电路，一方面将噪声信号进一步放大，另一方面起到阻抗匹配的作用，使噪声信号顺利输入到下级电路；运算放大器TLC2262(N5B)与外围的电阻R41、R43、R45，电容C23、C26构成多路负反馈型带通滤波器，通带范围为
50Hz～1000Hz的低频段，将宽噪声信号转变为限带噪声信号。
[0046] 利用齐纳二极管工作在“雪崩”状态下伴随产生宽带交流噪声，再通过带通滤波器后形成限带噪声信号，噪声信号的带宽就由带通滤波器的通带范围来决定，因此可以通过调整带通滤波器的通带范围，来调节限带噪声信号的带宽，电路稳定性高、调试简单方便。
[0047] 2)、数字信号产生电路
[0048] 数字信号产生电路是由单片机控制直接数字频率合成器DDS芯片的频率控制字，产生单频正弦、调频和扫频信号。
[0049] 如图3所示为数字信号发生器电路，该电路采用的直接数字频率合成器(DDS)芯片AD9852，是从
相位量化概念出发直接合成所需
波形，采用数字化技术，通过控制频率控制字直接产生所需要的各种不同频率信号。DDS芯片AD9852本身内部集成了参考时钟、相位累加器、正弦查找表、D\A转换器和滤波器等。通过设置DDS芯片AD9852的频率控制字可以直接产生单频正弦、调频、扫频等信号。系统以低功耗单片机MSP430F1612为控制核心，对系统信号调制方式进行设置，控制直接数字频率合成器(DDS)输出正弦单频信号、调频信号、扫频信号。
[0050] 通过MSP430F1612单片机来实现对DDS芯片AD9852的控制，产生50Hz～1kHz
频率范围内的正弦信号。AD9852的频率转换、
分辨率、稳定度、
相位噪声能够远远满足形成50Hz～1000Hz低频段内信号的要求，并且具有
输出信号易于数字式调制的特点，当单片机MSP430F1612的内部晶振提供给它特定的频率时钟源时，产生频率、相位、幅度可编程调节的
正弦波，而调节正弦波的频率，就可以形成调频信号与扫频信号。
[0051] 功率放大电路
[0052] 功率放大电路包括由两片集成功率运算放大器U2和U3分别构成的正向放大电路与反向放大电路，U2的正相输入端与U3的反相输入端，分别作为发射信号的两个输入端口，正向放大电路的输出端OUT+连接至磁电弯张换能器的正输入端，反向放大电路的输出端OUT-连接至磁电弯张换能器的负输入端。
[0053] 如图4所示为功率放大电路，其中集成功率放大器U2、U3选用的型号是OPA512，其中，U2采取的具体电路形式是正向放大器，正向放大器中还具有限流电阻R59、R61、R63和R64、阻抗匹配电阻R62、放大控制电阻R58和R60、三极管Q13和Q14、二极管D4和D5。
[0054] 限流电阻R59、R61、R63、R64起到限流保护的作用，阻抗匹配电阻R62起到阻抗匹配的作用，放大控制电阻R58、R60控制电压放大倍数，三极管Q13、Q14分别是PNP与NPN结构的对管，组成的跟随器，起到提高电流驱
动能力的作用。D4、D5是大功率二极管，起到
输出电压保护的作用。
[0055] 正向放大器中的连接关系为U2的4号管脚通过电阻R62接地，U2的5号管脚通过电阻R58接地，U2的3号管脚通过电阻R59连接至+24V电源电压，U2的2号管脚通过电阻R61连接至U2的1号管脚，三极管Q13为PNP结构，Q13的基极连接至U2的3号管脚，Q13的集电极连接至U2的1号管脚，Q13的发射极连接至+24V电源电压；U2的1号管脚连接D4的正极，D4的负极连接至+24V电源电压，U2的1号管脚通过R60和R58接地；U2的6号管脚通过R 64连接至-24V电源电压，U2的8号管脚通过电阻R63连接至U2的1号管脚，三极管Q14为NPN结构，Q14的基极连接至U2的6号管脚，Q14的集电极连接至U2的1号管脚，Q14的发射极连接至-24V电源电压；由U2的1号管脚引出正向放大器的输出端OUT+；正向放大器的放大倍数为K1＝1+R60/R58。
[0056] U3采取的具体电路形式是反向放大器，反向放大器中还具有限流电阻R65、R67、R70和R71、阻抗匹配电阻R69、放大控制电阻R68和R66、三极管Q15和Q16、二极管D6和D7。各元器件的作用与上述正向放大器中相对应的器件作用相似。
[0057] 反向放大器中的连接关系为U3的4号管脚通过电阻R69接地，U3的5号管脚通过电阻R68接地，U3的3号管脚通过电阻R65连接至+24V电源电压，U3的2号管脚通过电阻R67连接至U3的1号管脚，三极管Q15为PNP结构，Q15的基极连接至U3的3号管脚，Q15的集电极连接至U3的1号管脚，Q15的发射极连接至+24V电源电压；U3的1号管脚连接D6的正极，D6的负极连接至+24V电源电压，U3的1号管脚通过R66和R68接地；U3的6号管脚通过R 71连接至-24V电源电压，U2的8号管脚通过电阻R70连接至U3的1号管脚，三极管Q16为NPN结构，Q16的基极连接至U3的6号管脚，Q16的集电极连接至U3的1号管脚，Q16的发射极连接至-24V电源电压；由U3的1号管脚引出反向放大器的输出端OUT-；反向放大器的放大倍数为K2＝-R66/R68。
[0058] 正向放大电路与反向放大电路组合构成半桥式功率放大电路，电流放大能力与电压放大能力同时加倍，即功率放大能力是单边电路的4倍。
[0059] 磁电弯张换能器
[0060] 磁电弯张换能器用于将电能转变为机械能，以声波的形式发射出去。本实施例中磁电弯张换能器可以是稀土材料制成的磁致伸缩换能器，也可以是磁电式电动型换能器。
[0061] 电池组：
[0062] 电池组用于为信号发生电路和功率放大电路供电，即可提供+24/-24V电源电压。
[0063] 小型水下低频声学发射器的工作原理：
[0064] 由图1可以看出信号的传输与发射的过程：信号发生电路可以根据需要产生正弦单频信号、扫频信号或调频信号以及限带噪声信号。信号经过集成功放芯片构成的小型功率放大电路放大后，驱动磁电弯张换能器，将电信号转变为声信号发射出去。这个过程中，电池组为信号发生器电路与功率放大电路供电。
[0065] 小型水下低频声学发射器的应用：
[0066] 在水声工程研究中，不论是水声设备开发还是水声物理测量，水下低频声源都是常用设备。而在湖上或海上外场试验，与实验室或消声水池中的使用环境条件有很大不同，小型化的水下声源将会为布放打捞带来方便；若在湖、海外场试验中，尤其是进行深水试验时，使用常规通用仪器设备，如函数信号发生器、功率放大器、低频换能器等，就往往需要使用燃料发电设备，发电设备的振动与辐射噪声传播到水下，可能会对试验带来干扰。基于以上两点，使用电池供电、由专
门研制的信号发生电路与功率放大器驱动磁电式弯张换能器构成的小型低频声学发射器，在水下持续工作时间要求不高的情况下，能够满足低频正弦、调频、扫频信号以及限带噪声信号的水下发射。
[0067] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
