[发明专利]一种低频压电陶瓷换能器宽带匹配方法

说明书

本发明公开了一种低频压电陶瓷换能器宽带匹配方法，用于设计水声功放系统和压电陶瓷换能器间的匹配网络，所述方法包括：步骤1)获取压电陶瓷换能器的负载阻抗并进行归一化；用多项式h(p)构建匹配网路，并选择f(p)＝p^k传输零点；步骤2)以多项式h(p)系数h＝{h₀,h₁,…,h_n}为优化参数，以匹配网络的增益水平和匹配网络电阻与电抗间的相位角作为两个优化目标函数，建立优化模型进行匹配网络的优化，获取到最优系数步骤3)根据步骤2)的匹配网络的最优系数计算匹配网络阻抗，由此计算匹配网络各元件值。本发明的方法可以有效地克服压电陶瓷换能器Q值高的窄带特性，可以较大的拓展其工作带宽，并提高其带内的最高增益水平，从而满足水声探测低频、大功率的需求。

技术领域

本发明属于水下探测声纳系统大功率发射技术领域，具体涉及一种低频压电陶瓷换能器宽带匹配方法。

背景技术

随着海洋大开发战略的深化，主动探知海洋环境和资源的需求日渐迫切。主动声纳无论是在水声探测、水声通信还是在水声成像领域中都发挥着不可或缺的作用。而发射系统作为主动声纳的重要组成单元直接关系到主动声纳的性能。目前水声发射系统正在向低频、宽带和大功率的方向发展。水声发射系统驱动的负载为压电陶瓷换能器，无论是电压驱动型换能器还是电流驱动型换能器，其阻抗都较高。这就使得为了达到大功率发射的效果发射系统必须提供较高的驱动电压。因此虽然水声发射系统工作频率较雷达领域低很多，但是高压、大功率宽带发射势必将水声发射系统置于恶劣的电磁环境中。另外压电陶瓷换能器虽然具有高电声转换效率、大功率、低廉且可制作成随意形态等优点，但是由于压电晶片高Q值带来的窄带特性限制了其宽带应用。因此在信号源功放和压电陶瓷换能器之间加入宽带匹配网络就成为迫切需求。目前水声领域典型的匹配网络设计方法多为谐振法(单点或多点谐振)，这些方法不能兼顾带内增益、带宽和带内平坦度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种低频压电陶瓷换能器宽带匹配方法。

本发明的技术方案如下：

一种低频压电陶瓷换能器宽带匹配方法，用于设计水声功放系统和压电陶瓷换能器间的匹配网络，所述方法包括：

步骤1)获取压电陶瓷换能器的负载阻抗并进行归一化；用多项式h(p)构建匹配网路，并选择f(p)＝p^k传输零点；

步骤2)以多项式h(p)系数h＝{h₀,h₁,…,h_n}为优化参数，以匹配网络的增益水平和匹配网络电阻与电抗间的相位角作为两个优化目标函数，建立优化模型进行匹配网络的优化，获取到最优系数

步骤3)根据步骤2)的匹配网络的最优系数计算匹配网络阻抗，由此计算匹配网络各元件值。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体为：将压电陶瓷换能器的频率和阻抗作归一化处理，频率归一化以截止频率35kHz为基准，工作频带变为0.43至1；阻抗归一化以信号源内阻为基准，将测得的换能器阻抗作归一化处理。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)初始化多项式h(p)系数h＝{h₀,h₁,…,h_n}，选定多项式f(p)＝p^k,0≤k≤n的阶数k；