数字水听器设计

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数字水听器设计

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声波在水介质中具有与电磁波等其它物理场相比最小的衰减系数，因而成为在水环境中进
行信息采集、信息传输的重要载体。水听器是将水声信号转换为电信号的一种换能器，其在对
人类研究水下的复杂环境、噪声源定位识别、水下通信导航、开发军事武器等多领域均具有重
要作用。以船舶噪声检测识别定位为背景，设计了一套基于嵌入式微处理器
(STM32F107)的双通道数字水听器，并研究了适用于船舶的噪声源定位识别方法。

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因声波在水介质中具有与电磁波等其它物理场相比最小的衰减系数，因而成为在浩瀚的大
海中进行信息采集、信息传输的重要载体。水听器即被动声呐，又称水下传声器(underwater
microphone)，是将水声信号转换为电信号的一种换能器，其在对人类研究水下的复杂环境、水
下通信导航、开发军事武器等多领域均具有重要作用。水听器包括压电型、磁致伸缩型、动圈
式、压电式、光纤式等多种。水听器又可分为传统的无指向性型的声压水听器和由声压水听器
与质点振速水听器复合而成的向量水听器。矢量水听器可以同步测量声压和质点振速。

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水听器广泛地应用于声信号的采集。在民用船舶中，船舶噪声过大严重影响了水下生物生
存环境和船员的身体健康，国际海事组织(工MO)第91届海安会(MSC91)通过了第338号决议，
决议中严格规定了船上噪声等级规则，未达标的船舶禁止使用。在军用舰艇中，舰艇表面辐射
噪声过大及易被敌方水下声呐系统捕获，极大地降低了舰艇作战的突然性和安全性。因此，无
论军用还是民用船舶在设计建造时准确测量其噪声辐射情况十分关键。国际船舶制造领域普遍
使用水听器阵列来测量船舶表面辐射噪声大小及噪声源位置，这些噪声数据为船舶及舰艇制造
提供了声学依据。运用水听器开发的渔探仪可以探测到几千米范围内的鱼群位置，根据测得鱼
群深度、运动轨迹等信息可以得到鱼群的种类，解决了多年以来渔民只能根据经验来进行渔业
捕捞的低效率问题。应用水听器配合主动声呐发射器还可以得到海底地质参数。如图1. 1所示，
测量船尾部有一拖拽水听器阵列，拖拽阵列中的主动声呐发射器向海底发射声波，并由拖拽阵
列中的水听器阵列采集海底反射声波，应用反射声波的数据反演得到海底地址参数。此种海底
参数测量方法给海底测绘领域带来了更加快速与准确的测绘方法。水听器不仅可以测量水下声
信号，而且可以测量空气中的声信号。美军装甲车在伊拉克战争中普遍安装了传声器阵列系统，
这套系统可以快速准确地确定战场上枪声、爆炸声的声源位置，极大提高了战斗效率。传声器
阵列还广泛地应用于火车、摩托车、汽车、飞机等交通工具的噪声源测量，应用传声器阵列测
量摩托车表面辐射噪声源如图1. 2所示。因此研究水听器的应用领域非常广泛，开发高性能的水
听器及研究水听器阵列组成具有较高的应用价值。

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金属连接杆保证球形压电组件和不锈钢腔进行可靠连接，
均匀包覆，
接收响应，
保证了接收水听器具有较高的径向共振频率，
压电组件在硫化加工时能被橡胶层所
可在非常宽的工作频段内具有平坦的
同时水听器对三维空间中的入射声波具有相同的接收灵敏度。由于选用了与水介质
声阻抗相当的橡胶作为包覆层，保证了水声声波能有效地被压电陶瓷所接收，提高了水密性能。
经过封装的压电型水听器如图1. 3所示。此压电式水听器主要技术指标如下所列:

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尽管不同的水听器的技术指标及特性有所不同，但由于受工作原理的限制及水中背景噪声
等多因素的影响，这些水听器输出的电信号通常是比较微弱的模拟信号，比如本文使用的压电
水听器在其压强测量范围内输出电压最大仅为毫伏级。实际使用时往往还达不到这个电压，从
而给有用信号的提取及信号的传输带来了很大的难度。模拟信号在传输过程中受导线的长度、
外界环境噪声的干扰很强，同时模拟信号不利于信号的保存和存储。另一方面水下各种噪声的
影响、调理电路自身电子噪声的影响等使得希望获取的水中有用信息被淹没在大量的噪声中。
噪声有海洋环境噪声、自噪声和混响噪声。自噪声是平台自身产生的，包括机械噪声、流噪声
和空化噪声。混响噪声是主动声呐发射信号的反射信号产生的，与雷达系统中的杂波类似。海
洋环境噪声是海洋中比如行船、工业活动、海洋生物、降雨、爆炸等各种声源产生的声学噪声，
该噪声通常属于时变的随机信号，统计特征很难掌握，因而难以补偿，严重妨碍了信息的有效
提取。因此研制一种新型数字水听器对于舰艇水下噪声源检测是十分重要的。

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   m>现有的水听器通常采用的是直接将传感器输出的模拟信号(或放大后)进行传输和处
理的方式。在传输过程中受导线的长度、外界环境噪声的干扰很强，同时模拟信号不利于信号
的保存和存储;
   c2)现有的水听器在抑制环境噪声上的性能很差，影响到了水听器的应用，降低了水听器
阵列在进行噪声源定位时的准确性;
   (3)现有的水听器阵列形式为了得到更好的空间分辨率，更大的测量范围，往往需要大量
的水听器元，这样就会大大的提高了水听器阵列的成本，尺度和可行性。
   (4)现有的噪声源定位方法的空间分辨率会随着声信号频率的下降而下降，导致噪声中低
频噪声无法被很好的识别出来。事实上，在船舶表面辐射噪声中很大一部分集中于低频段，因
此现有的噪声源定位方法影响到了船舶表面辐射噪声识别定位的性能。

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m>双通道，可同时工作，两通道放大倍数不同且保证被测信号放大后至少有一个通道不
饱和;
c2)频率响应范围为lOHz}20KHz，采样频率为80KHz以上;
(3)采样精度24位;
(4)总线传输距离大于SOm;
(5)总线传输速度大于400kb/s ;
(6)每个通道的存储深度大于lOMbit，一次可以存储lOs以上的数据。

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微控制器作为数字水听器的核心部分，微控制器控制整个系统的工作。对模/数转换模块进
行控制及读取数据，控制FLASH的读写，响应相应的中断操作，向上位机发送数据。采用嵌入
式微处理器作为控制器，一方面便于实现不同总线接口的设计，另一方面可通过移植操作系统，
便于外设接口(如键盘、显示器、内存等)的扩展，从而使得该数字水听器可作为独立的测试
设备使用。根据表2.1和数字水听器的技术指标的要求，本课题选择以太网来作为下位机与上位
机的通讯的主要方式，满足了数字水听器的传输速率高及传输距离较远的特点。同时，为了方
便测试和适用于不同测试场合不同接口设备，本课题同时也开发RS232, RS485作为备用的通讯
方式，各通信总线的性能比较如表2.1所示。

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数字水听器能够稳定运行，良好的电源设计是必不可少的。本课题中设计的数字水听器所
用芯片需要3.3V电压与2.5 V电压，需要用电压转换芯片将SV输入电压变为3.3 V和2.5 V工
作电压，因此选用LM1117-2.5, LT1117-3.3芯片进行转换，该芯片在输出0.8A电流时的输出
电压纹波在1.6%以内，其工作电路如图2.2所示。以上两种电源稳压芯片输入输出脚附近所接
电容均为旁路电容，起滤波作用。在设计电源模块时应当注意对电源噪声的处理，在本课题中，
依据电容容值越大对高频越敏感，因此本文使用容值相差100倍的电容来降低电源噪声的问题。
lOuF的大电容接地用来滤掉高频干扰，使输出电压变得平滑;0.1 uF的小电容的接地用来滤掉
低频的纹波干扰，使输出电压纯净无噪声干扰。

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信号放大器选用了信号放大器AD624 a AD624是一款高精度、低噪声仪表放大器，主要设
计用于低电平传感器，包括负荷传感器、应变计和压力传感器。这款芯片融低噪声、高增益精
度、低增益温度系数和高线性度于一体，适合用于高分辨率数据采集系统。AD624C的输入失
调电压漂移小于0.25 }V/0C,输出失调电压漂移小于10 }V/0C，单位增益时的共模抑制比((CMRR)
高于80 dB(G一500时为130 dB)，最大非线性度为0.001% (G一1) a AD624无需任何外部元件即可
实现调整增益1, 100, 200, 500，还可以利用外部跳线，通过编程获得250和333等额外增益，精度
为1%0

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采用两通道，两信道的放大倍数不同，其中信道1的放大倍数较小，用于实现对较
大的信号进行放大，而信道2的放大倍数较大，用于实现对微弱的信号进行放大，从而保证了
被测信号放大后至少有一个通道不饱和。AD 624放大倍数为1, 100, 200, 500，根据水槽实验，
水听器传感器模块的输出电压为输出电压范围大概为:0}20mV，采用放大倍数100, 200, 500
时，AD624输出端的电压范围分别为0}2V, 0}4V, O}lOV。根据3.2.4节的数字水听器实验测
试可知，放大倍数为500的通道输出电压大于SV时，被测信号波形出现了明显的饱和现象。

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数字水听器设计

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伴坛终老