基于LabVIEW平臺(tái)的參量陣測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．3 參量陣的發(fā)射方式
參量陣的發(fā)射方式分為兩種，單通道發(fā)射方式和雙通道發(fā)射方式。其中，單通道發(fā)射方式是指兩個(gè)原波頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)線性相加以及功率放大后，同時(shí)激勵(lì)換能器陣中的所有陣元；而雙通道發(fā)射方式是指兩個(gè)原波信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后，各自通過(guò)換能器陣中的某個(gè)通道來(lái)激勵(lì)相對(duì)應(yīng)的陣元。
相比較，單通道發(fā)射方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但大功率輸出較困難；而雙通道發(fā)射時(shí)，其輸出功率較大，但換能器陣元組合比較復(fù)雜。本系統(tǒng)中9個(gè)圓形壓電陶瓷換能器組成的3×3矩形基陣采用單通道發(fā)射方式，即載波調(diào)制信號(hào)同時(shí)接入換能器陣的兩個(gè)通道。

2 聲參量陣測(cè)試系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示，主要包括PC機(jī)(LabVIEW信號(hào)處理平臺(tái))、功率放大電路、換能器發(fā)射及接收陣、信號(hào)接收電路及數(shù)據(jù)采集卡等結(jié)構(gòu)。其中，PC機(jī)主要是通過(guò)LabVIEW軟件完成對(duì)初始信號(hào)和高頻載波的產(chǎn)生、信號(hào)失真預(yù)處理和接收信號(hào)的后續(xù)處理(包括信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、頻譜分析等)；換能器發(fā)射和接收陣分別實(shí)現(xiàn)載波調(diào)制信號(hào)的發(fā)射和回波信號(hào)的接收；功率放大電路用來(lái)提高載波調(diào)制信號(hào)的發(fā)射功率；而信號(hào)接收電路則是對(duì)傳聲器接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理，包括前端放大、帶通濾波及末級(jí)放大等幾個(gè)處理環(huán)節(jié)。

2．1 信號(hào)處理
信號(hào)處理是本系統(tǒng)中關(guān)鍵部分之一，主要完成輸入信號(hào)的失真預(yù)處理和超聲載波的振幅調(diào)制。信號(hào)處理部分的基本理論是。Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解決方案。
2．1．1 失真預(yù)處理
失真預(yù)處理的目的是增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度，減少失真，增強(qiáng)低頻等。1965年， Berktay使用調(diào)制中包絡(luò)的概念為參量陣提出了一個(gè)更精確完整的解釋?zhuān)J(rèn)為最終的解調(diào)信號(hào)將由這個(gè)包絡(luò)決定，即參量陣解調(diào)后的信號(hào)P2(t)與包絡(luò)E (t)平方對(duì)時(shí)間的兩次微分成正比。根據(jù)Berktay遠(yuǎn)場(chǎng)解決方案，現(xiàn)有的預(yù)處理方法主要有三種：
第一種也是最初的預(yù)處理方法，假設(shè)包絡(luò)為E(t)=1+mg(t)，其中m為調(diào)制因數(shù)，g(t)為音頻信號(hào)。則有：

根據(jù)式(1)可以看到：在非線性作用下，信號(hào)的自解調(diào)能夠?qū)⒄扔诎j(luò)信號(hào)E(t)的調(diào)制信號(hào)Ps(t)解調(diào)出來(lái)；但自解調(diào)過(guò)程中會(huì)伴隨二次諧波失真信號(hào)Pd(t)的產(chǎn)生。
細(xì)觀式(1)可得，失真信號(hào)Pd(t)與m2成正比，即減小m就可以減少失真，但解調(diào)出來(lái)的信號(hào)Ps(t)也隨之減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低。因此就有了第二種預(yù)處理方法，對(duì)包絡(luò)先積分兩次，然后再開(kāi)方，即：

很顯然，單邊帶預(yù)處理方法對(duì)應(yīng)產(chǎn)生純音頻信號(hào)時(shí)沒(méi)有失真，即沒(méi)有其他頻率成分產(chǎn)生。
2．1．2 載波調(diào)制
載波調(diào)制的作用是將預(yù)處理過(guò)的信號(hào)與超聲載波信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)制，生成超聲載波調(diào)制信號(hào)。載波調(diào)制可分為雙邊帶(Double Sideband，DSB)調(diào)制和單邊帶(Single Sideband，SSB)調(diào)制等。在DSB調(diào)制中，輸出信號(hào)的頻譜由位于載頻左右兩側(cè)的上下邊帶組成，而且信號(hào)的上、下邊帶攜帶的調(diào)制信號(hào)信息完全一樣；SSB調(diào)制就是選擇DSB調(diào)制中一個(gè)邊帶進(jìn)行傳輸，從而節(jié)省一半的發(fā)射功率。假設(shè)載波頻率為85 kHz，音頻信號(hào)頻率為5 kHz，則DSB和SSB調(diào)制示意圖如圖3所示。