一種用于壓電陶瓷水聽器極性檢測的方法

程江林, 李正平

(安徽大學 電子信息工程學院,安徽 合肥 230601)

隨著科學技術的發展和應用需求的不斷擴大,海洋水聲環境和目標探測水聲技術獲得了越來越廣泛的應用[1]。壓電陶瓷水聽器是把水下聲信號轉換為電信號的換能器,廣泛用于水聲采集系統、聲吶系統、地震勘探系統等,是海洋水聲測量必需的信號采集設備。水下的探測、識別、通信以及海洋環境監測和海洋資源的開發,都離不開水聽器[2]。

在水聲探測系統中進行數據采集時,水聽器既與振動的或壓力變化的介質接觸,又與數據采集單元相連接。進行作業前,由于在生產組裝或者檢修過程中的人為疏忽,有可能造成水聽器中1只或多只水聽器極性相反的情況存在。水聽器的極性直接與其輸出信號的正反方向相關,如1個正向脈沖信號輸入到極性相同的2個不同水聽器之后,將會輸出與原始信號幅度方向一致的信號;而極性相反的水聽器會產生1個正向、1個負向的脈沖信號。因此,僅從水聽器輸出信號無法準確判斷原始波形的正、負方向,從而造成極性相反的水聽器影響采集信號的質量,降低水聲探測的效果。隨著水聲探測技術的進步,壓電陶瓷水聽器使用數量越來越龐大,一個勘探項目使用數萬串水聽器,而尋找極性相反的水聽器比較麻煩。如對海上水聲探測而言,受水聽器陣列電纜收放困難的制約,水聽器極性的檢測更加困難[3]。目前在水聲信號檢測領域中水聽器極性檢測的方法很少。

針對上述問題,本文提出了一種用于壓電陶瓷水聽器極性檢測的方法。該方法通過計算機控制激勵模塊產生主動式測試信號源,并配合極性測試算法來分析水聽器所采集到的波形信息,進而判斷出水聽器的極性。該方法簡單可靠、操作方便,可廣泛應用于水聲信號檢測領域中。

1 水聽器極性檢測原理

壓電陶瓷水聽器是用于測量水聲壓力的一種傳感器件,以輸出電壓的形式模擬水的壓力變換,其輸出信號會跟隨水聲壓力的變化而變化[4],壓電陶瓷水聽器工作頻率范圍為3～2 000 Hz。當水聽器連接極性正確時,其會輸出與待測信號相位一致的電信號,如圖1a所示;反之,當水聽器連接極性錯誤時,其會輸出與待測信號相位相反的電信號,如圖1b所示。當待測信號存在多極性時,即存在多個波峰,如果水聽器極性相反,會體現在輸出信號反向上,那么采集儀器沒有辦法分辨原始信號的第1個波峰位置到底在哪個時刻,這將會造成數據分析、圖像重構時的延遲偏差。在聲學探測應用中,信號波峰到達時刻直接與待測目標物體的距離遠近相關。延遲的偏差將會直接影響水聲探測采集數據的質量,導致重構圖像的失真。

圖1 水聽器極性對輸出信號的影響

因此,如果待測的聲學信號是一個已知的激勵源,利用該已知特性的信號(如固定頻率的正弦波)激勵2個壓電陶瓷水聽器,其一為極性連接正確的水聽器,另一個為待測極性的水聽器,那么通過對比分析這2個水聽器輸出信號之間的相位關系,即可實現對待測水聽器極性的檢測[5]。

2 極性檢測裝置的構建

2.1 系統組成

本文所提出的壓電陶瓷水聽器極性檢測方法所用裝置的系統結構如圖2所示,分為檢測裝置和待測設備2個部分。待測水聽器為水聲采集儀的探頭,也可以是由多個水聽器探頭構成一個探測陣列;檢測裝置則由激勵模塊和上位機軟件構成。

圖2 極性測試系統結構示意圖

該檢測裝置的激勵模塊內部安裝一個發射換能器,其可由受控的電信號推動產生聲波信號[6]；并且在該激勵模塊中,安裝一個極性連接正確的參考水聽器,與其相連接的處理電路可以實時采集到該參考水聽器檢測的聲學信號,并通過通信通道RS485將采集數據上傳給上位機。系統工作時,將激勵模塊安置在待測水聽器的正上方(如圖2所示),并打開水聲采集儀。此時,操作人員通過上位機軟件向激勵模塊發送控制命令使其進入檢測狀態,當處理電路接收到該指令時,會啟動處理電路的信號源單元DAC驅動發射換能器發射聲波,并同時產生一個硬件的同步觸發信號發送給水聲采集儀,用于觸發水聲采集儀開始采集來自待測水聽器檢測到的聲學信號,而同時處理電路內部的采集單元ADC也會采集來自參考水聽器所檢測到的聲學信號。

由于待測水聽器與參考水聽器都放置在發射換能器附近,聲波傳播到2種水聽器的距離近似相等,假設兩者距離誤差1 cm,按照聲波在海水中傳播速度1 500 m/s計算,2個水聽器接收到的信號延遲誤差約為6.7 μs,這遠遠低于通常水聲探測信號數字化采樣時間間隔(如1 ms),因此可以認為2種水聽器同時采集到了聲學激勵信號。經過這種同步操作,可保證極性檢測裝置所采集到的聲學信號能夠與水聲采集儀采集到的信號嚴格同步。激勵模塊是一個具有固定物理結構的測試盒,在對待測水聽器進行極性檢測時,將激勵模塊放置在待測水聽器正上方,保證每個待測水聽器與參考水聽器接收到的信號差在可忽略的范圍,從而便于進行極性的分析。

該檢測裝置的軟件部分為極性測試軟件,工作于上位機。極性測試軟件可實現對激勵單元硬件系統的控制及信號的采集,從而完成對待測水聽器信號和激勵模塊參考水聽器信號波形的對比分析和顯示[7]。

為了保證待測水聽器極性檢測的準確性,提高信噪比,需要對激勵模塊所產生的信號做一定的處理。當激勵模塊接收到上位機軟件發送的控制信號后,其內部的處理電路將控制發射換能器先產生一個頻率為300 Hz、30個周期長度振幅較小的正弦波信號,緊接著再產生一個頻率為300 Hz、10個周期長度振幅較大的正弦波信號。其中,小信號用于讓發射換能器穩定起振,大信號用于檢測待測水聽器極性,激勵模塊輸出的信號波形如圖3所示。

圖3 激勵模塊輸出信號波形

極性測試軟件對采集的待測水聽器信號和激勵模塊參考水聽器信號進行分析處理,在激勵模塊信號中先找到大信號的范圍,并從中找出最大的10個正尖峰和最小的10個負尖峰,然后通過比較第1個峰值的正負性來判斷待測水聽器的連接是正接還是反接[8]。若正負性一致(即待測水聽器極性連接方式與參考水聽器的一致),則水聽器極性為正;若正負性相反(即待測水聽器極性連接方式與參考水聽器的相反),則水聽器極性為負。

2.2 硬件設計部分

由2.1節分析可知,激勵模塊是整個極性檢測裝置的核心,激勵模塊用于檢測待測水聽器極性是否正確,其作用主要有2個方面:① 給待測水聽器和其內部參考水聽器提供激勵聲學源;② 通過數據傳輸模塊上傳其內部參考水聽器所采集的信號至上位機。

激勵模塊結構如圖4所示,由水聽器、發射換能器、單片機、傳輸模塊、電源模塊和鋰電池組成。

圖4 激勵模塊示意圖

極性測試軟件控制單片機內DAC模塊產生固定頻率的音頻信號,并由功放進行信號放大后帶動發射換能器發聲,以此來完成振源的作用[9]。此時內部水聽器檢測發射換能器發出的信號,并通過ADC模塊進行信號采集,再將該信號通過數據傳輸模塊以RS485信號上傳給上位機軟件做進一步處理。

2.3 軟件設計部分

極性測試軟件主要完成對水聽器和激勵模塊采集數據的分析和處理,并將測試結果使用紅、藍標識符進行標識,通過波形顯示模塊進行對比顯示,檢測人員可通過波形對比快速判斷待測水聽器的極性。上位機程序使用Qt5進行開發,采用多進程來實現特定的功能。

軟件主程序流程如圖5所示。

在數據處理中,首先判斷待測通道的信號質量,若信號有干擾且信號質量有問題,則此時軟件界面顯示信號弱,并結束測試。在信號質量沒有問題的前提下,將待測水聽器和激勵模塊中參考水聽器采集的信號去直流并歸一到相應電壓值下。因為根據設置閾值或其他方法直接判斷第1個峰值的位置,可能會存在誤判的情況,所以通過主程序先定位待測水聽器和參考水聽器接收的信號中10個周期長度的正弦波大信號范圍,再從大信號范圍內分別找出最大的10個正尖峰和最小的10個負尖峰。記錄這20個尖峰中第1個尖峰的峰值,并判斷水聽器和激勵模塊第1個峰值的正負性是否一致。若正負性一致,則待測水聽器正接;若正負性不一致,則待測水聽器反接。

圖5 軟件主程序流程

3 測試及分析

為了測試和驗證水聽器極性檢測方法的有效性,本文通過對水聽器正接、反接以及移除激勵模塊(測試盒)3種測試方式,驗證軟件是否能正確判斷出正接、反接、信號弱3類情況。

3種測試方式波形對比如圖6所示。

圖6 3種測試方式波形對比

首先按照測試系統結構完成實驗平臺的搭建;再正確連接待測水聽器和水聲采集儀,將激勵模塊放到待測水聽器的上方;上電之后,使用極性測試軟件檢測水聽器極性，并通過波形顯示模塊顯示對比波形。

由圖6可知，當待測水聽器正接水聲采集儀時,水聽器和激勵模塊輸出信號的第1個峰值正負性一致;當反接水聲采集儀時,水聽器和激勵模塊輸出信號的第1個峰值正負性相反;當移除測試盒時,水聽器輸出的信號弱,此時無法判斷水聽器極性。

4 結 論

本文提出了一種用于壓電陶瓷陶瓷水聽器極性檢測的方法，并對該方法的有效性進行了測試。測試結果表明,本文方法能夠有效地檢測實際連接在系統中的水聽器極性,由于有了最直接的波形數據,操作人員可以很容易地對當前水聽器極性做出快速判斷。在測試過程中發現,當測試環境發生變化時,如水聽器擺放位置變化、水聽器下方是否放置墊子等,實驗結果會受到一定的影響[10],因此在測試前,應確保實驗環境的穩定。