聲吶發射機負載阻抗變化仿真分析

徐怡 王福林 蔣國軍

（第七一五研究所，杭州，310023）

發射機是聲吶裝備實現電聲轉換的重要部分[1]。在聲吶裝備中，發射機與發射換能器相連接，主要功能是為聲吶換能器提供特定頻率與功率的電信號[2]。在工程應用中，不同聲吶使用的發射換能器阻抗不相同，同一聲吶由于水溫、水深等工作環境的差異也可能導致發射換能器阻抗特性的差異，當發射機的負載阻抗變化時將引起發射機負載電壓、輸出電流等特性的改變。本文針對發射機負載阻抗變化的情況，對目前常用的發射機拓撲結構進行分析，給出發射機傳遞函數的求取方法。

1 發射機輸出傳遞函數建立

為實現特定頻率與功率的波形輸出，發射機通常由前級AC/DC 與后級DC/AC 電路組成，DC/AC電路實現功率放大功能，當前SPWM 開關功放為主流技術，功放輸出端連接發射換能器[3]。SPWM功放電路大多由橋式電路、濾波網絡、輸出變壓器與其余輔助電路組成，如圖1 所示，其中輸出變壓器與其余輔助電路在部分發射機中被裁剪。

圖1 發射機常用連接框圖

輸入直流電壓uin一定時，調制度一定的功放，其橋式電路輸出電壓u為一個確定值，不受負載阻抗影響，建立從橋式電路輸出電壓u到發射機負載電壓uo的傳遞函數，即可分析發射機輸出電壓的變化情況。發射機輸出電壓主要受負載阻抗、濾波網絡、輸出變壓器及輔助電路的影響，根據目前常用的發射機拓撲結構，本文分帶通濾波拓撲、帶通濾波連接電感或電容拓撲、低通濾波拓撲三種典型電路結構分別分析負載阻抗對發射機的影響，其他電路結構可利用類似的方法分析。在分析過程中，所有元件均采用集中參數對發射機輸出的影響，未考慮寄生參數的效應。

1.1 帶通濾波拓撲電路的傳遞函數

橋式電路輸出高壓PWM 波，使用串聯LC 帶通濾波電路濾除帶外載波和諧波，得到基波后經過輸出變壓器得到輸出電壓，這種拓撲結構是最常用的功放電路實現方法，等效電路如圖2 所示。

圖 2 帶通濾波拓撲結構等效電路

將發射機負載阻抗定義為zL，輸出變壓器匝比為n，可導出從橋式電路輸出電壓u到發射機負載電壓uo的傳遞函數：從式（1）可見，帶通濾波拓撲電路傳遞函數與負載阻抗zL有關，也就是說，其傳遞函數受負載阻抗影響。

1.2 帶通濾波連接電感或電容拓撲電路的傳遞函數

在串聯LC 帶通濾波的基礎上，發射機輸出端根據實際需要可設計部分輔助電路，如在變壓器輸出側設計調諧電感或者濾波電容等。輸出側設計調諧電感的拓撲等效電路如圖3 所示。圖中所示的增加調諧電感拓撲電路，可導出從橋式電路輸出電壓u到發射機負載電壓uo的傳遞函數：

輸出側設計濾波電容的拓撲等效電路如圖4 所示。

圖 3 帶通濾波連接電感拓撲結構等效電路

圖4 帶通濾波連接電容拓撲結構等效電路

圖4 中的增加濾波電容拓撲電路，可導出從橋式電路輸出電壓u到發射機負載電壓uo的傳遞函數：

從式（2）、（3）可見，帶通濾波連接電感或電容拓撲電路傳遞函數與式（1）類似，受負載阻抗zL影響。

1.3 低通濾波拓撲電路的傳遞函數

橋式電路輸出高壓PWM 波，當輸出基波頻率較低時，也可使用低通濾波網絡濾除帶外載波和諧波，特別是在使用多重疊加技術的低頻大功率發射機中，低通濾波網絡有著廣泛應用，等效電路如圖5 所示。圖中所示低通濾波拓撲電路，可導出從橋式電路輸出電壓u到發射機負載電壓uo的傳遞函數：

圖5 低通濾波拓撲結構等效電路

式（4）表明，低通濾波電路傳遞函數同樣受負載阻抗zL影響。

2 典型參數仿真分析

2.1 帶通濾波拓撲電路的仿真分析

利用Matlab 軟件，將式（1）代入具體參數，取某一比較接近實際常用的參數代入。變壓器匝比n取3.5，負載阻抗zL僅取阻性負載進行仿真，從100 ?～10 k?，電阻變化步進跨度100 ?，對于zL含電抗的分析方法類似，頻率從200 Hz～8 kHz，頻率變化步進跨度20 Hz，可得到如圖6 所示三維曲面圖。圖中顯示，在同一頻率下負載阻抗變化時，橋式電路輸出電壓u對發射機負載電壓uo的傳遞函數具體數值隨之變化，即負載電壓隨之改變。在實際設計與分析中，可根據具體參數繪制如圖6 所示三維曲面圖，即可得到每一點的傳遞函數值。

圖6 帶通濾波拓撲電路傳遞函數典型參數仿真結果

值得注意的是，本文分析示例僅針對負載阻抗中電阻部分改變的情況，且只針對電路中的集中參數進行分析。在實際工作中，若同時考慮負載阻抗的電阻與電抗的變化以及器件的寄生參數，則能得到更全面的分析結果。

2.2 帶通濾波連接電感或電容拓撲電路的仿真分析

以串聯LC 帶通濾波連接電感拓撲為例，利用Matlab 軟件，取比較接近實際常用的參數。變壓器匝比n取6.7，調諧電感L2取10 mH，頻率從200 Hz～8 kHz，頻率變化步進跨度20 Hz，負載阻抗ZL取電阻部分，從100 ?～10 k?，電阻變化步進跨度100 ?，可得到如圖7 所示三維曲面圖。圖中，傳遞函數在4～5 kHz 之間有個諧振峰，對于串聯濾波網絡，通常諧振峰設計的與工作頻段相近，在工作頻段內隨負載阻抗電阻的增大傳遞函數值增大。

圖7 帶通濾波連接電感拓撲電路傳遞函數典型參數仿真結果

2.3 低通濾波拓撲電路的仿真分析

利用Matlab 軟件，仍以接近實際常用的參數代入進行仿真，濾波電感L取2 mH，濾波電容C取1μF，頻率從200 Hz～8 kHz, 頻率變化步進跨度20 Hz，負載阻抗ZL取電阻部分，從100 ?～10 k?，電阻變化步進跨度100 ?，可得到如圖8 所示三維曲面圖。圖中，傳遞函數在3～4 kHz 之間有個諧振峰，對于低通濾波網絡，通常諧振峰設計在大于工作頻段處，在工作頻段隨負載阻抗電阻的增大傳遞函數值增大。

圖8 低通濾波拓撲電路傳遞函數典型參數仿真結果

3 結論

本文針對聲吶發射機負載阻抗變化情況，分帶通濾波拓撲、帶通濾波連接電感或電容拓撲、低通濾波拓撲三種典型的不同電路形式進行分析，建立了從發射機橋式電路輸出電壓u到發射機負載電壓uo基于集中參數的穩態傳遞函數，并分別開展了基于常用典型參數的帶通濾波、帶通濾波連接電感、低通濾波傳遞函數Matlab 仿真，繪制了傳遞函數曲面圖。

從傳遞函數可知，不同電路形式下負載阻抗變化對發射機傳遞函數影響方式不同，所選取參數不同傳遞函數具體數值變化趨勢也不盡相同。針對工程應用實際，可根據本文所述方式導出傳遞函數，代入具體參數后繪制傳遞函數曲面圖，分析對應各點的傳遞函數具體數值及其變化趨勢。

通常負載阻抗的電阻部分越大，傳遞函數具體數值越大，相應的輸出電壓也越高；針對帶通濾波拓撲，負載阻抗越大，濾波效應越不明顯，諧波含量越高，阻抗越小，濾波效果越好，諧波含量越低，但帶寬越窄；針對帶通濾波連接電感及低通濾波等拓撲，傳遞函數存在諧振峰，諧振峰附近傳遞函數絕對值較大，可實現明顯的升壓，但其隨頻率的變化較快，表現為頻帶內輸出電壓起伏較大，根據實際需求可選擇設計在諧振峰附近或遠離諧振峰。

本文所提供的分析方法可為前期參數設計提供理論支持，并針對負載阻抗呈現阻性情況，以集中參數進行仿真和分析，在實際分析中若想要得到更全面的結果，需要對負載阻抗的電阻與電抗同時進行分析，必要時甚至需考慮元器件的寄生參數作更深入的研究。