目录 第1章绪论 (1) 1.1 课题背景与意义 (1) 1.2 设计目的与要求 (1) 1.2.1 设计目的 (1) 1.2.2 设计要求 (1) 第2章设计原理与内容 (2) 2.1 热电偶的种类及工作原理 (3) 2.1.1热电偶的种类 (3) 2.1.2工作原理分析 (4) 2.2 设计内容 (4) 2.2.1 总体设计 (4) 2.2.2 原理图设计 (5) 2.2.3 可靠性和抗干扰设计 (7) 第3章器件选型与电路仿真 (8) 3.1 器件选型说明 (8) 3.2 电路仿真 (8) 第4章设计心得与体会 (9) 参考文献 (10) 附录1：电路原理图 (11) 附录2：PCB图 (11) 附录3：PCB效果图 (11)
第1章绪论 1.1 课题背景与意义 温度是一个基本的物理量，在工业生产和实验研究中，如机械、食品、化工、电力、石油、等领域，温度常常是表征对象和过程状态的重要参数，温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。本设计中正是关于温度的测量，采用热电偶温度测量具有很多的好处，它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。 同时，热电偶作为有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常在日常生活中被应用，如测量炉子，管道内的气体或液体温度及固体的表面温度。热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。热电偶可直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。 1.2 设计目的与要求 1.2.1 设计目的 (1) 了解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路）； (2) 了解印刷电路板的设计和制作过程； (3) 掌握电子元器件选型的基本原理和方法； (4) 了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧； (5) 掌握热电偶温度传感器信号调理电路的设计，并利用仿真软件进行电路的调试。 1.2.2 设计要求 选用热电偶温度传感器进行温度测量，要求测温范围100-300℃、精度为0.1℃。设计传感器的信号调理电路，实现以下要求： （1）将传感器输出4.096-12.209mV的信号转换为0-5V直流电压信号； （2）对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据； （3）电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容； （4）电路的基本工作原理应有一定说明； （5）电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性
水声通信技术研究进展及应用 摘要：水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式，由于其在民用和军事上都有重大意义，水声通信的研究一直是国内外研究的热点。文章介绍了水声 通信的历史，分析了水声通信发展的关键技术，讨论了水声信道的特点、系统组 成和国内外的发展现状。最后对未来的水声通信技术作了预测。 关键词：水声通信，通信信道，声纳，正交频分复用，声纳信号处理 1 引言 当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信是这一进程中发展最为迅速、进歩最快的行业。陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支--Internet网和移动通信网日臻完善，而海中通信的发展刚刚崭露头角。有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动（如正常航运）可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20 Hz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。而在这个频率范围内，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的。采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。 海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，这是至今还存在的难度最大的无线通信信道。研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识，现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一。另外，海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。 2 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8。33kHz，主要用干潜艇之间
华北电力大学 文献综述 | | 题目DSP水声·声呐·雷达方面的应用 课程名称 DSP系统设计 | | 专业班级：电子1102 学生姓名：管俊豪 学号：201003020203 成绩： 指导教师：尚秋峰日期： 2014.07.3
DSP在水声和声呐及雷达信号处理系统中的应用 一、基本概念：DSP简介——数字信号处理器（DSP）是一种具有特殊结构的微处理器，特别适合于数字信号处理运算。它是当今发展最为迅速和前景最为可观的技术之一。自从20世纪80年代第一片DSP芯片诞生至今。其性能得到了极大的提高。应用领域取得了不断的拓展。日前它己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电产品不可或缺的基础器件, 尤其在通信领域,数字信号处理器以其实时快速地实现各种数字信号处理算法的优点从而得到了广泛的应用。随着超大规模集成电路技术（VLSI）的高速发展。DSP的性价比也在不断提高。 二、学科发展状况 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理技术已经在通信、实时信号处理、安全保密、图像处理等领域得到了极为广泛的应用。 三、该领域所应用DSP芯片 TMS320VC5416、TMS320DM642、TMS320C5402型号的DSP处理器，采用流水线结构，集成度高、扩展性好、处理功能强、功耗低具有强大的运算能力、高度的并行性和广 泛的应用性，特别适合数字信号处理，完全可以对数据进行实时处理，且其功耗低、 价格适中。综合看来TMS320C5000，TMS3320C6000系列在此应用范围内应用较广。 四、典型应用方案 1、DSP在雷达信号处理中的应用 FFT是雷达信号处理的重要工具。DSP内部的硬件乘法器、地址产生器（反转寻址）和多处理内核，保证DSP在相同条件下，完成FFT算法的速度比通用微处理器要快2到3个数量级。因此，在雷达信号处理器中，大量采用DSP完成FFT/IFFT，以实现信号的时-频域转换、回波频谱分析、频域数字脉冲压缩等。
信号发生器 本人介绍一下信号发生器的使用和操作步骤. 1、信号发生器参数性能 频率范围：0.2Hz ~2MHz 粗调、微调旋钮 正弦波, 三角波, 方波, TTL 脉波 0.5" 大型 LED 显示器 可调 DC offset 电位 输出过载保护 信号发生器/信号源的技术指标: 波形正弦波, 三角波, 方波, Ramp 与脉波输出 振幅>20Vp-p (open circuit)； >10Vp-p (加 50Ω负载) 阻抗50Ω+10% 衰减器-20dB+1.0dB (at 1kHz) DC 飘移<-10V ~ >+10V, (<-5V ~ >+5V 加 50Ω负载) 周期控制 1 : 1 to 10 : 1 continuously rating 显示幕4位LED显示幕 频率范围0.2Hz to2MHz(共 7 档) 频率控制Separate coarse and fine tuning 失真< 1% 0.2Hz ~ 20kHz , < 2% 20kHz ~ 200kHz 频率响应< 0.2dB 0.2Hz ~100kHz； < 1dB100kHz~2MHz 线性98% 0.2Hz ~100kHz； 95%100kHz~2MHz
对称性<2% 0.2Hz ~100kHz 上升/下降时间<120nS 位准4Vp-p±1Vp-p ~ 14.5Vp-p±0.5Vp-p 可调 上升/下降时间<120nS 位准>3Vpp 上升/下降时间<30nS 输入电压约 0V~10V ±1V input for 10 : 1 frequency ratio 输入阻抗10kΩ (±10%) 交流 100V/120V/220V/230V ±10%, 50/60Hz 电源线× 1, 操作手册× 1, 测试线 GTL-101 × 1 230(宽) × 95(高) × 280(长) mm,约 2.1 公斤 信号发生器是为进行电子测量提供满足一定技术要求电信号的仪器设备。这种仪器是多用途测量仪器,它除了能够输出正弦波、矩形波尖脉冲、TTL电平、单次脉冲等五种波形，还可以作频率计使用，测量外输入信号的频率 1．信号发生器面板： （1）电源开关； （2）信号输出端子； （3）输出信号波形选择；
可抑制啸叫的音频功放 李瑞彪,高安琪,付丽嘉 (哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨 150001） 摘要：声反馈现象普遍存在于各种领域的音频系统中，由于产生的啸叫会对用户的正常使用造成极大的困扰，传统的啸检测与抑制功率放大器面临着巨大的挑战。因此该系统着力实现一种新型带啸叫检测与抑制的音频功率放大器，该系统主要由拾音模块、放大模块、射随模块、DAC衰减模块、滤波器模块、显示模块、AY-TPA3112D1音频功放以及主控模块组成。主控模块采用msp430F149单片机作为微控制器，利用测频原理实现啸叫检测，通过自适应滤波抑制啸叫。衰减模块以可编程DAC8043作为衰减电路的核心，其余模块主要由音频专用芯片NE5532、OP07、LM358来完成。本系统能够对频率在为200HZ-10kHZ的音频信号进行放大之间清晰的输出音频，可以准确的进行啸叫检测并在啸叫频点进行有效的抑制。该作品多次论证设计方案，包括芯片选型、电路设计、PCB板布局、数字自适应滤波器算法的精简等，较为出色的完成了系统的各项指标。最后，从整体上分析，该作品能进行预置和控制，具有稳定、经济、功耗低等特点，是理想的带啸叫检测和抑制的音频功率放大器。 关键词：音频功率放大器；啸叫检测；DAC衰减；自适应滤波器 Inhibit Whistle Audio Amplifier LI Rui-biao, GAO An-qi, FU Li-jia （College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) Abstract: Acoustic feedback is widespread in various fields of audio system, due to be generated by the user's normal use howling cause great distress, traditional tsunami detection and suppression PA faces enormous challenges. Therefore, the implementation of a new system with a focus on howling detection and suppression of audio power amplifier, the system consists of pickup module, amplifier module, shooting with the module, DAC attenuation module, filter module, display module, AY-TPA3112D1 audio amplifier and the master module. Master module using msp430F149 microcontroller as a microcontroller, using frequency measurement principle to achieve howling detection, suppression howling through adaptive filtering. Programmable attenuator module as the core attenuation circuit DAC8043, the remaining modules mainly by dedicated audio chip NE5532, OP07, LM358 to complete.This system is capable of frequency 200HZ-10kHZ clear audio signal between the output of the audio amplification, can accurately be howling and howling frequency detection effectively suppressed. This work has demonstrated the design, including chip selection, circuit design, PCB board layout, streamlined digital adaptive filter algorithm, etc., the more indicators completed a remarkable system. Finally, the whole analysis, the work can be preset and control, with a stable economy, low power consumption and is ideal with howling detection and suppression of audio power amplifier. . Key words: audio power amplifier; howling detection; DAC attenuation; adaptive filter 1 设计任务及要求分析 1．1 要求概述 1.1.1 基本要求 作品来源：2014黑龙江电子设计大赛三等奖 作者简介：李瑞彪(1991-),男,2011级,电子信息工程专业指导教师：刘淞佐(1985-),男,讲师,水声工程学院 基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，设计并制作一个带啸叫检测与抑制功能的音频放大器，完成对台式麦克风音频信号进行放大，通过功率放大电路送喇叭输出，如图所示
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水声信号处理领域若干专题研究进展 作者：李启虎， LI Qihu 作者单位：中国科学院声学研究所 刊名： 应用声学 英文刊名：APPLIED ACOUSTICS 年，卷(期)：2001,20(1) 被引用次数：26次 引证文献(26条) 1.王成.王英民.陶林伟.甘甜等效试验法在双基地声纳试验中的应用[期刊论文]-压电与声光 2010(3) 2.王永衡基于无线电的声纳浮标阵式水声定位系统研究[期刊论文]-中国科技博览 2010(34) 3.郭良涛.黄建国.韩晶.阎振华基于DSP的小型数字语音通信平台设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2009(6) 4.綦辉.蔡云祥.宋裕农基于UUV支持的水下协同作战研究[期刊论文]-火力与指挥控制 2009(3) 5.孙凤宇浅海水声语音通信软件无线电系统设计研究[期刊论文]-中国科技信息 2008(18) 6.何成兵.黄建国.张涛.阎振华单载波频域均衡高速水声通信仿真研究[期刊论文]-系统仿真学报 2007(23) 7.郑翠娥.孙大军.张殿伦.李想超短基线定位系统安装误差校准技术研究[期刊论文]-计算机工程与应用 2007(8) 8.周浩.蒋兴舟.袁志勇基于波束域MUSIC方法的高分辨方位估计[期刊论文]-海军工程大学学报 2007(2) 9.刘林泉.梁国龙.吴波.周志强.李宏伟一种低能耗的水声通信编码方案的研究[期刊论文]-声学技术 2007(1) 10.陈家财超声水处理功率放大技术研究[学位论文]硕士 2007 11.李姗.江南.黄建国基于随机水面阵列构形的水下GPS定位算法[期刊论文]-仪器仪表学报 2006(z3) 12.韦周芳.黄建国基于MFSK的多载波水声通信系统及实验研究[期刊论文]-无线通信技术 2006(2) 13.SUN Guiqing.LI Qihu.ZHANG Bin Acoustic vector sensor signal processing[期刊论文]-声学学报（英文版） 2006(1) 14.杨娟基于干涉谱分析的单水听器被动定位技术研究[学位论文]硕士 2006 15.徐复被动声纳仿真信号源研究与实现[学位论文]硕士 2006 16.罗丹噪声目标广义互相关被动测距研究[学位论文]硕士 2006 17.陈勇水声远程通信的联合频率相位调制技术研究[学位论文]硕士 2006 18.尹力.仲顺安.陈越洋.党华水声通信系统中信号同步的一种实现方法[期刊论文]-信号处理 2005(z1) 19.马雯.黄建国.张群飞用MFSK调制实现水声远程信息传输[期刊论文]-电讯技术 2004(5) 20.李洪升基于计算智能的声呐盲波束形成算法研究[学位论文]博士 2004 21.梁迅光纤水听器数据的网络传输及集群处理[学位论文]硕士 2004 22.赵羽矢量阵阵处理研究[学位论文]博士 2004 23.宋新见数字式噪声目标被动测距声纳研究[学位论文]博士 2004 24.马雯.黄建国基于时延编码的远程水声通信技术研究[期刊论文]-计算机工程与应用 2002(9) 25.潘仲明.杨俊.王跃科超声波扩频测距及其信道自适应均衡技术[期刊论文]-国防科技大学学报 2002(6) 26.马雯.黄建国.张群飞用时延编码实现远程水声通信[期刊论文]-电讯技术 2002(4) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/eb15043244.html,/Periodical_yysx200101001.aspx
实验一声压级传播衰减测量
实验一声压级传播衰减测量 1、实验目的 在实验室对自由球面波声场中传播衰减进行测量，掌握球面波衰减规律，掌握实验数据处理分析方法。 1.1、实验原理 在自由球面波声场中，沿球半径方向，声压的振幅值满足关系 p(r)- r 式中，A为常数，其值相当于r 1m处的声压幅值，因此水听器的输出信号幅度在球面波声场中随它离球心的距离成反比衰减。对上式可以取对数，得到声压级 随距离对数值的关系： p(r) SL 20log 上 P o A r 20log 20log - P°r°r o 式中P o 1 Pa , r o 1m。由上式可见，右边第一项为常数，它表示声源强度等于离源中心1m处得声压级。可见，在声压和距离的双对数坐标系统中，上式为一直线，并且距离每增加一倍，声压级减少6dB。 1.2、实验方法 实验在水箱内进行，实验中信号发射系统包括功率放大器、示波器、信号源、测量放大器、发射换能器、水听器各一个，测量系统连接示意图如图1所示。
图1测量系统连接示意图 将标准水听器装在带有距离刻度的扫描基阵架上。测量时由信号源发出单频脉冲信号，经功率放大器送入发射换能器，脉冲宽度应保证反射信号和直达波信号能够隔离。声波由标准水听器接收，水听器测量输出信号送到测量放大器后，再通过示波器可以直接读取直达接收信号脉冲峰的值，排除反射脉冲信号池壁反射波影响。1.3、实验测量步骤如下： 1）连接实验设备，并进行检查，确认连接正确； 2）发射换能器和接收水听器入水至合适深度，保证标准水听器测量时应与 发射换能器同深度，发射换能器与水听器之间的初始测量距离为0.2m； 3）调节测量功率放大器和示波器，观测水箱内噪声信号； 4）根据实验条件（水箱尺寸、声源谐振频率）设定发射信号中心频率、脉宽等参数，调节功率放大器，声源发射脉冲信号。通过示波器观察水听器接收信号; 5）读取直达接收信号脉冲峰的值，排除反射脉冲信号池壁反射波影响； 6）当对一个位置的数据测量完毕后，等间隔的逐次改变测量位置，观察信号变化情况，读取每个距离时的输出测量值，记录数据；
空间滤波器水声信号预处理方法研究 王少娟,张智敏,姚金杰,王黎明 （中北大学信息探测与处理技术研究所， 山西太原030051）摘要:浅水水声信道受多径传播、时变和空变等特性的影响，由水听器直接观测到的信号大多是信噪比低、 多种信号叠加而成的复杂信号，难以准确提取特征信息及信源分离。针对以上问题，提出基于空间滤波器的多源复杂水声信号的预处理方法。该方法通过Hilbert 变换将直接观测信号构造成解析信号来抑制虚像，使用波束形成算法来实现对方向角的选择，在指定方位角下得到期望信号。仿真及试验结果表明：信噪比为0dB 时，通过空间滤波器对多源复杂水声信号进行预处理，可以有效地抑制噪声，并有效区分处于同一时间段、同一频段的多个源信号，经处理后的信号与源信号的相似度可达0.9853，对实际信号处理也可达到较好的效果，解决时频域很难处理的问题，进而为后续的研究工作提高精度。 关键词:浅水水声信道；空间滤波；波束形成；Hilbert 变换；信源分离文献标志码:A 文章编号:1674-5124(2017)01-0116-06 Study on preprocessing method of underwater acoustic signal based on spatial filter WANG Shaojuan ，ZHANG Zhimin ，YAO Jinjie ，WANG Liming （Institute of Signal Capturing &Processing Technology ，North University of China ，Taiyuan 030051，China ） Abstract:Due to characteristics including multipath propagation ，time-varying and space-varying features of shallow water underwater acoustic channel ，signals directly detected by hydrophone are mostly complex signals superposed by various signals with low signal to noise ratio.Thus ，the feature information and accurate source separation cannot be obtained.To solve these problems ，a preprocessing method of multi-source complex underwater acoustic signal based on spatial filter is put forward.The method constructs the signals observed directly into analytic signals through Hilbert transforming to suppress the virtual image and uses beamforming algorithm to select the direction angle and obtain desired signals under the specified azimuth angle.Simulation and test results show that in a simulation test ，if the multi-source complex underwater acoustic signals are processed based on spatial filter when the signal -to -noise ratio is 0dB ，the noises can be effectively suppressed and several source signals at a same time period and same frequency band can be effectively distinguished.After the processing ，the similarity between the processed signal and source signal can reach 0.9853.It can also reach good effects in actual signal processing ，solve the problems hardly to be solved in time -frequency domain and ensure high precision in follow-up research. Keywords:shallow water underwater acoustic channel ；spatial filter ；beamforming ；Hilbert transform ；source signal separation 收稿日期:2016-03-16;收到修改稿日期:2016-05-10 基金项目:国家自然科学基金(61471325);高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)(20121420110006)作者简介：王少娟(1992-),女,山西长治市人,硕士研究生,专业方向为智能信息处理、水声信号处理。 中国测试 CHINA MEASUREMENT &TEST Vol.43No.1January ，2017 第43卷第1期2017年1月doi : 10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.024
水声通信 水声通信是一项在水下收发信息的技术。它的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息经过编码、调制处理后，由功率放大器推动声学换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质，将信息传递到远方的接收换能器，这时声信号又转换为电信号，经过放大、滤波和数字化后，数字信号处理器对信号进行自适应均衡、纠错等处理，还原成声音、文字及图片。 特点： 声波通信是水下远程无线信息传输的唯一有效和成熟的手段。声波是水中信息的主要载体，广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在水下传输的信号衰减小（其衰减率为电磁波的千分之一），传输距离远，使用范围可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通信。 水介质与空气介质的特性不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性。水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的盐度、温度、密度、深度以及传播距离等因素的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。水中的声速计算公式可见下式： c=1449.2+4.6T-0.055T2+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D 其中：r是海水温度，s是盐度，D是深度。海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码。同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。 举例： （一）我国厦门大学以许克平教授为首的这个课题组出色地完成了国家交给他们的863项目，已经成功解决了在10公里之内水下信号相互清晰的传递，他们这个系统已达到实用要求。他们认真分析了世界上抗多途干扰的几种方法，最后课题组一致认为还是采用电磁波抗干扰的手段——跳频通信，它既能抗多途径干扰又能保证信息安全。 如果电磁波的跳频技术用在海中，频率资源充足的情况下传输一组信号，频率相差大时，电路内部做处理的时候，就用两个不同频率表示1和0，相当于颜色相差大，如：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫这一组信号代表一个文字，碰到干扰后虽然到达的时间不一致，但由于颜色区别大也就是频率相差大接收方就容易辨认了，这样就解决了信号干扰问题。经过攻关他们研制出一个全新的跳频技术，终于成功解决了多途径干扰问题。因为语音传输是水声通信最难攻克的瓶颈问题，要求精确度极高，难度也最大，语音传输成功的实现，使这个项目完全成功了，他们做到了。 （二）水声通信是当前海洋军事中最重要和关键的技术，该研究方向发挥厦门大学电子与海洋等相关学科专业的优势和特色，课题组完成了“水下图像水声传输实用样机研制”、“视频图像水下传输试验研究”等国家“863”相关课题项目, “水下图像传输系统”项目通过国家“863”专家组验收。该系统能在浅海域实现全方向无缆图象信息传输，每8秒传送一帧（160*100象素，十六级灰度），距离10公里。99年中国国际高新技术成果交易会
实验报告 课程名称水声学实验 实验项目名称 实验类型实验学时 班级20130532 学号03 姓名邓方舟指导教师 实验室名称实验时间 实验成绩预习部分 实验过程 表现 实验报告 部分 总成绩 教师签字日期 哈尔滨工程大学教务处制
实验名称：水声换能器声源级 传播指向性 传播损失的测量 实验内容：测量换能器的指向性和传播损失 实验原理： 描述一个水声换能器的自由场远场的指向性响应的特性参量有：指向性图、指向性因数和指向性指数等。 1．指向性图 （1）基本概念 发射换能器或其基阵的发射指向性图是表示它在自由场中辐射声波时，在其远场中声能的空间分布图像。通常用),(θ?D 表示归一化的指向性图函数，定义式如下： ) 0,0() ,(),(p p D θ?θ?= 其中：θ表示考察方向与极轴（通常为Z 轴）的夹角； ?表示考察方向在XOY 平面上的投影线与x 轴的夹角； ),(θ?p 表示各考察方向),(θ?上自由场声压的有效值； )0,0(p 表示声轴方向（或选定方向）上自由场远场电压的有效 值，通常)0,0(p 方向就选定为有效值声压为最大值的方向。 ),(θ?D 是个不大于1的正值，若取分贝表示，则),(lg 20θ?D 恒为 负分贝数。换能器的发射指向性图会随发射信号频率的改变而变化，就是说，同一换能器当发射不同频率的信号时，其辐射声能在空间分布是不同的。
对于一个水听器或基阵，它的接收指向性图是表示自由场远场传来的平面波入射到水听器接收面上的平均声压随入射方向变化的曲线图。或者说，它是水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图，其函数表示式可记作： ) 0,0() ,(/)0,0(/),(),(M M A F A F D θ?θ?θ?= = 其中：),(θ?F ，)0,0(F 分别表示任意方向和最大值方向入射的平面波在水听器接收面上所产生的作用力； A 为水听器接收面的有效面积； ),(θ?M ，)0,0(M 分别表示任意方向和最大值方向上的自由场电压 灵敏度。 可见，水听器的接收指向性图也就是它的相对灵敏度的曲线图，所以其),(θ?D 也小于1，即),(lg 20θ?D 也为负的分贝数。 指向性图函数，也有利用任意方向上的声强),(θ?I 与最大值方向（或声轴方向）声强)0,0(I 之比来定义的，以符号),(θ?b 表之，即： ),()0,0(/),()0,0(/),(),(222θ?θ?θ?θ?D P P I I b === 我们称),(θ?b 为声强指向性图函数，称),(θ?D 为声压指向性图函数，两者若用分贝表示时，其分贝值是相同的。 由上述可知，一个完整的指向性图应是一个三维空间图案，但使用时，通常都使用二维极坐标图来表示换能器的指向性。 对于声呐换能器或其基阵来讲，它们的指向性图的特性参量有：波束宽度和最大旁瓣级两个。所谓波束宽度就是指主瓣或主波束两侧的两个方向之间的夹角，此两方向上的声压级相对于轴向声压级下降
压电传感器的信号调节 作者：Eduardo Bartolome，德州仪器(TI) 医疗事业部系统工程师 压电传感器 用于感应和激励的压电传感器应用延伸到了许多领域。本文主要介绍对一些物理强度的感应，即加速度、振动、振荡和压力，从传感器及其要求信号调节的角度来看其可以被认为是类似的。1就加速度而言，传感器灵敏度通常被表示为一个与外力即加速度（大多数时候称作重力加速度g）成比例关系的电荷。然而，从严格物理意义上来讲，传感器输出一个实际由其变形/偏斜情况决定的电荷。 例如，图 1 显示了安装于顶部位置的一个传感器，与此同时底部正受到一个外力的拉拽，即F ext。在使用加速计的情况下，固定端（顶部）会粘附在要测量加速度的物体上，同时外力为粘附于另一端（底部）的质量的惯性，而这一端不断想要保持静止。就固定于顶端的参考坐标系而言（假设传感器充当的是一个弹簧，其具有很高的弹簧系数K），偏斜x 会形成一种反作用力： F int = Kx (1) 最终，质量（传感器偏斜）将会在下列情况下停止移动/改变： F int = F ext = Kx (2) 图 1 加速度力作用下的传感器 由于电荷Q 与偏斜成比例关系（一阶），而偏斜与力成比例关系，因此Q 与力也成比例关系。施加一个F max最大值的正弦力，会形成一个Q max 最大值的正
弦电荷。换句话说，当正弦力为最大值时，对来自传感器的电流求积分可得到Q max。增加正弦波的频率，同时会增加电流；但是会更快地达到峰值，即保持积分(Q max) 恒定。厂商会以传感器可用频率范围内Q max与F max的比率，来说明灵敏度规范。但是，由于传感器的机械性质，传感器实际上有谐振频率（可用频率范围以上），其中一个即使很小的振荡力都会产生相对较大的偏转，从而得到较大的输出振幅。 如果忽略谐振的影响，则我们可以将压电传感器一阶建模为一个与传感器寄生电容（此处称作C d）并联的电流源，或者也可以将其建模为一个与C d串联的电压源。该电压为存储电荷时在传感器阳极上看到的等效电压。但是，我们需要注意的是，就许多应用的仿真而言，第二种方法要更加简单一些。如前所述，电流与偏斜变化的速率成比例关系；例如，拿恒幅加速度的正弦AC 曲线来说，电流生成器的振幅必须根据频率来改变。 最后，如果这种生成器需要代表实际物理信号，则可以使用变压器，如图 2 所示。本例中，我们建模了一个具有0.5 pC/g 灵敏度和500 pF 寄生电容的生成器。正弦波生成器每单位g 输出1V，以实现仿真。变压器在其次级线圈将它向下调节至1mV。施加给C1（500 pF）的1-mV 摆动，将会如我们预计的那样在下一级注入Q = VC = 0.5 pC。 图 2 压电传感器模型 电荷放大器分析 图 3 显示了经典电荷放大器的基本原理，其可以用作一个信号调节电路。这种情况下，我们选择电流源模型，表明传感器主要为一种带高输出阻抗的器件。 输入阻抗 信号调节电路必须具有非低的输入阻抗，以收集传感器的大部分电荷输出。因此，电荷放大器是理想的解决方案，因为只要放大器在这些信号频率下保持高增益，其输入便会让传感器信号出现虚拟接地。换句话说，如果传感器的任何电荷想要在传感器阳极(C d) 或者放大器输入寄生电容(C a) 上增大，在放大器输入端就
水声信号处理中若干研究方向的现状及发展趋势 孙超，杨益新 （西北工业大学声学工程研究所，西安 710072） 1 引言 水声信号处理领域的早期研究成果大多是数学专业出身的科学家完成的，研究工作植根于对声及其特性的物理和数学观察与分析。作为一门交叉学科，近年来，水声信号处理研究领域也伴随着自适应信号处理、传感器阵列，以及检测与估计理论中的进展而发展。同时，对海洋环境中多种现象的物理机理探究，促使水声信号处理领域研究成果逐步得到应用。 水声信号处理涉及广泛的研究课题，国内外对该领域的研究工作进展做过各种形式的综述。典型的有1998年发表于IEEE信号处理杂志的一组题为《水声信号处理的过去、现在与将来》的专稿[1]，而国内则于2006年在《物理》杂志发表了一组题为《声纳技术及其应用专题》的文章[2-9]。受时间、篇幅以及作者能力所限，本文将只对水声信号处理研究领域中有限的几个研究方向上的研究进展进行归纳总结。 2 被动定位—匹配场技术 20世纪80年代以来，被动定位技术中的重要发展就是在信号处理算法中加入了声传播模型，主要用于估计一个辐射源的距离和深度（以及方位）。这种处理方法称作匹配场处理（Matched Field Processing—MFP）。MFP的核心就是对常规的一维平面波波束形成进行推广，使其能够对海洋中的点声源进行三维定位。一维平面波波束形成只能使基阵在方位上进行扫描，使其在所有可能的源方位上与测量数据进行“匹配”，并寻找其中相关程度最大处的参数值作为目标方位估计。在三维匹配场波束形成中，基阵能够对不同的目标参数（距离、深度、方位）组合进行描述，寻找其与测量数据匹配程度最大的参数值，认为是目标的位置参数估计。 MFP的发展与海洋中声传播建模的进展是并行的。当Clay研究模态传播时，他最早发现了波导模型、基阵和信号处理之间的密切关系[10]。尽管他没有提到信号源定位或层析，但他清楚地建立了模态表示、传播和基阵处理之间的相互关系。Hinich是第一个用垂直阵研究目标定位的人[11]。他推导了模态幅度系数和信号源深度的最大似然方程和克拉美罗界（Cramer Rao Bound—CRB）。因为对噪声使用了零均值高斯噪声模型，他推导的估计器等同于线性化的最小方差估计器。该处理器对多普勒失配较敏感，特别是使用长积分间隔的时候。Bucker意识到了这一点，并构造了一个二次型检测器，以降低这一敏感度。更重要的是，他使用了现实的环境模型，引入了模糊表面的概念，并证明了波场含有足够的成份来进行反演、定位。Bucker被认为是最早将MFP表示成现在使用的形式的人，他给出的检测因子本质上就是现在所说的“常规MFP”[12]。 在随后的20余年时间里，MFP有了长足发展。Tolstoy于1993年出版的专著[13]以及Baggeroer等人发表在J. Oceanic Eng.上的综述文章[14]对此之前在MFP研究领域所做的工作进行了很好的总结与论述。早期的工作集中在浅海水域，主要关心的是各种方法对失配的敏感程度。试验研究主要采用垂直线列阵，工作频率较低，作用距离从几公里至上百公里。在处理方法上，自适应的最小方差无失真响应（Minimum Variance Distortionless Response—MVDR）技术被引入到MFP中，并给出了较之常规线性的MFP处理器（Bartlett处理器）
水声通信的信号处理实现 1.工作参数： 采样率：80ksps; FFT点数：2048； FFT输入精度：18比特； FFT输出精度：18比特，加6位精度控制； 输出波束为-60：8：60度，共16个波束； 波束上加30dB的切比雪夫窗用于抑制波束泄漏； 频域积分：500Hz～20kHz输出32或者64个频域区间，频域积分区间可通过软件控制； 时间积分：1、2、4、8个周期平均，可以通过软件控制。 因此：每次上传的数据为2边，每边16个波束，每个波束32个频率区间的时间平均。因此每一次上传采用一个数据包实现。 2.重要组成部分和实现： 水声通信信号的主要包括以下3个部分： 32个通道的2048点FFT处理； 32个通道的FFT由一个FFT的IP核实现，输入为实部为信号，虚部为0，输入是18位定点。输出的实部和虚部为18位，再加一个6比特的精度控制信息，表示数据低位舍去了多少位。 上面是2048FFT IP的实现的一些参数。它完成一次FFT的时间为3096个时钟周期。下面计算一下处理的时间，按照时钟周期计算。处理时钟为40MHz，2048点数据的采样时间为25.6毫秒，因此一个处理的时钟周期为1024000个时钟周期，由于通道数为32个通道，所以平均每个通道的时钟周期为32000个，远大于实际所需的时钟周期。因此采用一个FFT
模块就可以实现。 ●频域波束形成； 波束形成完成16个波束的频域乘累加运算。该运算的运算量为2个16个通道16个波束的运算。每个波束要16次的复数运算，一次波束共1024点。因此一次波束形成需要2×16×16×1024次复数乘累加运算。 该运算，频域的补偿值预先存储在ROM中，在运算的过程中调用。 ●波束域的频域积分、时间积分； 频域积分在频域波束形成输出时同时完成，完成后的波束积分放在缓存中，用于时间积分时。积分区间考虑做一个表，可以通过外部指令输入，也可以用内部的预先存储的值。 时间积分在频域积分的同时进行，它会把前几个周期的频域积分调出来进行积分运算。 3.系统实现的难点： 目前利用现有平台上实现信号处理的主要问题是RAM资源不足。目前硬件平台上FPGA内部有200KB的缓存和1MB的外部缓存。由于实现频域波束形成，32个通道同时操作，因此把中间数据放在外部缓存，调用时不方便。而内部资源比较有限，只有尽量减少中间结果的存储。 4.其他： 关于原始数据存储，由于该项目时间进度比较紧，建议采用目前的测试软件进行数据存储。目前的测试软件经过测试，不存在着数据丢包的问题。建议采用该软件在工业计算机上进行数据存储。 关于测向等后续算法，暂时还没有考虑。等把波束形成的算法完成后再把这部分功能加上去。
函数信号发生器使用说明 1－1 SG1651A函数信号发生器使用说明 一、概述 本仪器是一台具有高度稳定性、多功能等特点的函数信号发生器。能直接产生正弦波、三角波、方波、斜波、脉冲波，波形对称可调并具有反向输出，直流电平可连续调节。TTL可与主信号做同步输出。还具有VCF输入控制功能。频率计可做内部频率显示，也可外测1Hz~的信号频率，电压用LED显示。 二、使用说明 面板标志说明及功能见表1和图1 图1 表1 序 面板标志名称作用号 1电源电源开关按下开关，电源接通，电源指示灯亮 2 1、输出波形选择 波形波形选择 2、与1 3、19配合使用可得到正负相锯齿波和脉
DC1641数字函数信号发生器使用说明 一、概述 DC1641使用LCD显示、微处理器（CPU）控制的函数信号发生器，是一种小型的、由集成电路、单片机与半导体管构成的便携式通用函数信号发生器，其函数信号有正弦波、三角波、方波、锯齿波、脉冲五种不同的波形。信号频率可调范围从~2MHz，分七个档级，频率段、频率值、波形选择均由LCD显示。信号的最大幅度可达20Vp-p。脉冲的占空比系数由10%~90%连续可调，五种信号均可加±10V的直流偏置电压。并具有TTL电平的同步信号输出，脉冲信号反向及输出幅度衰减等多种功能。除此以外，能外接计数输入，作频率计数器使用，其频率范围从10Hz~10MHz（50、100MHz[根据用户需要]）。计数频率等功能信息均由LCD显示，发光二极管指示计数闸门、占空比、直流偏置、电源。读数直观、方便、准确。 二、技术要求 函数发生器 产生正弦波、三角波、方波、锯齿波和脉冲波。 2.1.1函数信号频率范围和精度 a、频率范围 由~2MHz分七个频率档级LCD显示，各档级之间有很宽的覆盖度， 如下所示： 频率档级频率范围（Hz） 1 ~2 10 1~20 100 10~200