基于DDS和DFT的水声换能器小信号阻抗测量

　　换能器具有复阻抗，这个阻抗由具体的换能器材料和结构决定，同时还受工作条件影响。换能器的阻抗是换能器输入复数电压和输入复数电流之比值。它不仅是换能器电路的性能参量，也是换能器的机械振动阻抗和声负载阻抗的函数。因此，不能把小信号下测得的阻抗也认为是大功率下的阻抗，也不能把脉冲信号状态下的测量结果认为是连续信号状态下的阻抗。测量换能器阻抗的目的和意义有3个：提供换能器和发射机之间的阻抗匹配数据;计算电声转换效率;分析机械振动特性和声辐射特性，得到换能器品质因数。本电路实现了一种小信号下的阻抗测试方法，该方法可以改造为大功率下的阻抗测试，具有较强的实用价值。

　　1 常见换能器阻抗测试方法

　　常见换能器按换能原理分为电场能量耦合型和磁场能量耦合型[1]，这两种换能器可以等效为两种电路类型，如图1所示：

　　影响换能器阻抗的因素有很多[2]，但总体上电场能量耦合型换能器在正常工作情况下呈现容性阻抗，而磁场能量耦合型换能器在正常工作情况下呈现感性阻抗。因此，测量换能器阻抗的关键问题就是测量出在所需要测量的频率范围上换能器的输入复数电压与输入复数电流之比，不同点就是容性阻抗和感性阻抗在输入信号时电流超前或者滞后输入电压的相角。在工程上测量换能器阻抗可以采用电桥法[3]，它是利用电桥平衡原理，用一个标准阻抗去等效所需要测量的阻抗，当两个阻抗相同(或者相差小于一定程度)时，电桥会达到平衡状态，它是一种间接测量的方式。采用0.1级准确度的电阻箱和电容箱的条件下，测量不确定度将不大于±5%。测量示意图如图2所示：

　　另外一种测量阻抗的方法是使用三电压法，如因此需要间接测量电压相角和电流相角，在待测换能器上串联一个标准电阻(纯阻性，阻值已知)，然后测量出纯电阻上的电压有效值、待测换能器上的电压有效值以及纯电阻和换能器串联之后电路上的电压有效值，由于换能器不是纯阻性的，所以这三个电压构成一个三角形，由此可以求出相角，进一步得出阻抗。

　　若串接的电阻准确度优于±1%，电压幅度测量的不确定度不大于±2%，则本法在100kHz以下测量换能器阻抗模值的不确定度不大于±5%。其幅角的测量不确定度随幅度增大而减小，当幅角大于45°时，测量不确定度不大于±7°，但是当幅角小于45°时，幅角余弦值的测量不确定度约为±12%。在具体的工程实现时还有很多方法[4]，但是最基本的原理都是间接等效，或者间接测量出信号的相角，进而得出阻抗。