[发明专利]适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法

说明书

本发明公开了一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法，包括前级功率放大器、阻抗匹配网络、磁致伸缩换能器等效电路和阻抗匹配协同控制系统，阻抗匹配网络与前级功率放大器协同控制，静态匹配与动态匹配相结合，共同实现换能器的良好匹配。本发明提出的针对海洋通讯电声换能器的阻抗匹配网络相比于传统的静态匹配，可以在换能器工作环境变化，负载变化的情况下，通过实时测量换能器的等效电阻值和电感值，实现动态匹配，通过检测换能器等效电阻的峰值来跟踪谐振频率，提高系统电声转换效率，减小换能器发热；相比于传统的动态匹配，显著减小二了进制电容阵列的容量，提高精度，进而提高匹配效果。

技术领域

本发明涉及海洋通信换能器领域，特别是一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法。

背景技术

声波是在海水中进行目标探测、信息传递的有效工具。海洋通讯技术就是以声波为信息载体对水下目标进行探测、定位以及实现水下相互通信。电声换能器作为海洋通讯系统的重要组成部分，是实现电声能量转换的关键设备，因此提高电声换能器性能、发展海洋通讯技术，是维护海洋权益、保障国家安全的重要保证。

电声换能器作为电能和声能相互转换的关键设备，其工作原理是利用有源材料的压电效应或者磁致伸缩效应实现电能和机械能的相互转换。由于磁致伸缩材料的具有应变大、能量密度高、低频响应快、响应频带宽等特点，成为制作大功率、低频、宽频带海洋通讯电声换能器的理想材料。

电声换能器的重要性能要求是要具有较高的输出功率和较高的能量转化效率。在电声换能器和前级功率放大器之间增加合适的阻抗匹配网络，可以使信号源的输出功率尽可能的转化为换能器的发射功率，以提高整个发射系统的效率，并且匹配良好的网络减少了无功能量的传递，减小了系统发热，有利于系统更长时间安全运行。

阻抗匹配网络一般要起到以下三个功能：

(1)调谐，使负载处于谐振状态而呈现为一个纯电阻，减小功率传输中的无功损耗，以使信号器把最大功率传输到负载上；

(2)变阻，把换能器的高阻抗变至前级率放大器的低输出阻抗，以使换能器获得最大的输出功率，一般通过变压器实现；

(3)滤波，前级功率放大器为开关型设备，输出电压中含有大量的谐波，合理的设计匹配网络可以滤除一定的谐波，减轻功率放大器负担，增加系统效率。

传统的压电换能器通常采用串联和并联电感电容元件来进行阻抗匹配，而电声通信系统中，换能器阻抗在频带内随谐振频率变化，传统的换能器阻抗匹配电路无法完成换能器与信号源在整个频带内的阻抗匹配，并且对于磁致伸缩型阻抗匹配方法研究较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统及其匹配方法，提高换能器能量转换效率，实现在换能器空载谐振频率处的良好匹配，同时可以实时跟踪由于工作环境和负载变化引起的谐振频率偏移，进行动态匹配。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于海洋通讯电声换能器的阻抗匹配系统，包括阻抗匹配网络；所述阻抗匹配网络与换能器连接；所述阻抗匹配网络包括匹配变压器；所述匹配变压器原边接功率放大器；所述匹配变压器副边接静态匹配电容；所述静态匹配电容与二进制增电容阵列、二进制减电容阵列并联；所述静态匹配电容接所述换能器。

所述二进制增电容阵列C_in初始状态为全部断开，所述二进制减电容阵列C_de初始状态为全部闭合；空载时计算的电容补偿量C_{com_0}为：负载时计算的电容补偿量C_{com_m}为：其中，ω₀为空载时换能器谐振频率，L_{eq_0}为空载时换能器等效电感，ω_m为负载时换能器谐振频率，L_{eq_m}为负载时换能器等效电感。