大动态范围水声声压信号监测系统设计

　　1引言

　　潜艇在航行时，其螺旋桨存在与水深、转速等因素有关的空化噪声。空化与螺旋桨的临界转速有关。当接近或超过该临界转速时，螺旋桨表面由于空化产生很强的宽带噪声，其辐射噪声强度一般高出正常情况下20~30dB[1]。为了降低潜艇的辐射噪声，增强其隐蔽性，必须对螺旋桨空化进行实时监测。螺旋桨空化指示仪本质上是一个水声声压测量系统。在监测过程中指示仪首先由前置放大器接受水听器信号并进行带通滤波、放大和检波处理;然后将信号电平大小通过电流表指针指示并与预设的门限电平比较，产生灯光报警。传统的信号监测采用指针式电流表显示，因此可靠性差。而且电流表显示的动态范围很小(仅26dB)，表针变化与电压变化不满足线性关系，需要人工进行查表换算，测量精度低。

　　为了提高设备的指示精度和自动化程度，笔者提出一种数字化测量方案。水声信号频率响应通常为0~10kHz，其特点是动态范围比较大(可达60~70dB)。工程上大动态范围电压信号测量，一般采用对数放大器和可编程增益放大器实现[2-3]。对数放大器是非线性放大器，其输入输出信号成对数关系，放大器的增益和信号的大小成反比，在通信、雷达和电子测量中有着广泛的应用。可编程增益放大器是自动增益控制(autogain control)系统的一种，其放大器的增益和信号大小无关，在使用中可以通过改变芯片控制引脚的电平组合来控制增益大小，从而调整放大器的放大倍数。

　　笔者利用单片机技术并结合可编程增益放大器设计出一种新的数字式水声信号测量系统。首先对系统需求进行分析并给出系统的整体设计方案; 根据水声信号特点选取真有效值测量芯片AD536A测量声压信号;然后由两级可编程增益放大器AD526串联构成测量系统的前级可控放大器;通过对声压信号的采集和A/D转换由单片机对整个测量系统形成反馈控制并实时测量声压信号的有效值; 最后对系统进行实验并分析实验结果。

　　2系统整体方案

　　水声声压测量系统的目的是为了对某范围内具有大动态特性的电压信号进行有效值测量。根据水声信号特点，假设系统所测电压幅度范围为2mV~5V(实际应用中可以通过前置放大器进行调整)，频率范围为0~20kHz。该测量系统主要由4个模块组成：可编程增益放大器模块、真有效值测量模块、A/D采集模块和单片机控制模块。系统的原理框图如图1所示。

　　图1中的前级放大器直接和水听器相连接。该放大器的作用是将水声信号进行放大和滤波并将水听器的微电压信号放大到声压测量系统的测量范围内。系统的基本工作流程为：将前级放大器调整后的电压信号幅度控制在2mV~5V，然后进入声压测量系统进行测量; 测量系统首先将可编程增益放大器的放大倍数设置为1，然后对前级电压信号进行有效值测量和A/D采集;如果测量电压信号在有效值测量范围之内，则认为该测量值有效，否则由单片机对可编程放大器的放大倍数进行调整，并重新进行A/D采集和测量，直到所测量电压值在有效测量范围之内;系统通过LCD和蜂鸣器进行数据显示和门限报警。