一种新型水声信号发射机的设计与研究

　　水声信号发射机(简称发射机)是主动声纳设备中非常重要的一部分。传统发射机体积大,效率低,调试难度大的缺点限制了声纳系统性能的进一步提高,尤其是水声浮标、便携式水声通信设备和便携式水下探测设备等使用电池供电的现代水声设备。因此,研制小体积、高效率、低损耗的发射机十分必要。音频功率放大器具有高效节能,发热量少,体积小,便于集成的特点[1],考虑到水声信号大多是在音频范围内,本文提出了一种利用音频功率放大器来设计微型高效水声发射机的新方案。该方案利用免滤波技术替代了传统发射机的LC滤波器,使整机体积缩小近50%,且使发射机在发射线性度、工作时间、发射源级等方面的性能大幅提高。文章结合实际,系统介绍了这种水声发射机的工作原理及相关软硬件设计,且通过湖上试验验证了该方案的可行性。

　　1 水声信号发射机系统简介

　　水声信号发射机通常分为4个部分,如图1所示。信号发生装置负责根据需要产生一定形式的信号,通常是小幅度的电压信号;功率放大部分负责将信号进行电压和电流放大,输出功率信号;匹配网络负责小输出阻抗的功放与大输入阻抗的负载间的匹配,调节负载阻抗的相角,使负载输出额定功率;换能器将电信号转化为声信号,辐射到介质中。其中,功率放大模块和匹配网络模块是水声发射系统的核心部分,也是本文研究的重点。

　　2 功率放大电路设计和工作原理

　　2.1 功率放大电路设计

　　传统的水声发射机主要包括AB类和D类两种。AB类发射机具有发射线性度高的特点,但工作效率较低,在水声领域已逐渐被淘汰。D类发射机工作效率较AB类发射机高,但需要体积庞大的LC滤波器。本文提出的新发射机是在保证D类发射机高效率的同时,能有效地缩小发射机的体积。

　　本文参考现代音响技术,且结合水声工作环境和压电换能器的特点,采用TI公司生产的TPA3001D1(以下简称3001)[2]集成电路音频功放芯片作为电路核心,设计了一种无需滤波的D类水声信号发射机。电路图如图2所示。

　　该水声信号发射机较传统D类发射机具有以下特点:

　　(1)无须外部滤波器,使成本降低,体积缩小50%。

　　(2)工作效率高,功耗很低,产生热量极少。

　　(3)增益可通过编程设置。

　　(4)调试简单,具有短路和欠压保护电路。

　　(5)集成电路关闭模式下,仅消耗1LA电流。

　　2.2 免滤波工作原理分析

　　3001采用了有别于其他普通D类功放的调制电路方案。传统的D类功放调制电路的差动传输中,各输出的相位差是180°,并且从地到电源电压Vcc范围变化。因此,差动电压摆幅为2xVcc。这种开关波会产生较大的波纹电流,较大的电流会在负载上产生较大的损耗,如图3(a)所示。因此,需要一个LC输出滤波器滤除波纹电流。