水聲換能器功放與匹配電路的設計

王偉 李錦華

摘要

由于D類功放輸出需采用低通濾波器消除高頻信號，恢復聲音信號因為水聲換能器為容性負載，會導致無功功率增大，所以必須要進行匹配電路設計。進行匹配電路設計可降低換能器無功功率，將功放效率大幅度提升，可促使水聲換能器高效穩定運行。

【關鍵詞】功放 匹配電路 阻抗 相位

1 水聲功放概述

水聲功放不論是在軍事領域還是在民用領域，都發揮著極其重要的作用。可廣泛應用于水聲系統測試、海洋資源探測、地形地貌掃描、漁業探測、航道規劃以及碼頭垃圾清理等民用技術領域。水聲功放的最大作用就是可以將信號功率放大，驅動水聲換能器將電信號轉換為聲信號，與此同時向水里面輻射出充足能量的聲信號。伴隨科技的持續發展與進步，功放已經從一開始的電子管功放逐步發展到二代晶體管功放，接著發展到了場效應晶體管功放，最終發展到了數字功放，數字功放還被叫作D類功率放大器。在這之中，前面三個功放屬于線性模擬功放，而后面一個功放屬于數字開關功放。

2 D類功放的基本原理

簡單地說，所謂的D類功放實際上還被稱之為數字功率放大器，這種功放是由三個部分構成的，PWM調制對比，輸出濾波與功率放大。好的D類功率放大器效率能夠達到百分之百，在現實運用過程中可達到90%的效率，而AB類功放效率就相對比較低了。

（1）調制器，僅僅需采用一只運放組成比較器就能夠做好。

（2）D類功率放大器，是一個脈沖控制大電流開關放大器，將比較器輸出的PWM信號轉換為大電流與高電壓大功率PWM信號。

（3）需將大功率PWM波形里面的聲音信息恢復，就需要采用低通濾波器。可是，因為這個時候電流較大，RC結構低通濾波器電阻會消耗能源，無法使用，需要運用LC低通濾波器。

3 設計水聲換能器匹配電路分析

3.1 匹配方法

通常而言，水聲換能器諧振頻率范疇以內，換能器等效模型可通過等效電路來展示：并聯電路的構成是一個靜態電容C2與串聯支路。其中串聯支路就是通過一個動態電感L1、動態電阻RL、動態電容C1所組和而成的。倘若處在諧振頻率的時候，動態電感與電容作用相互抵消，能夠等效成一個動態電阻與靜態電容并聯構成。換能器阻抗是伴隨著頻率的變化而改變的，因為靜態電容很大，因此換能器在工作頻帶里面成容性。換能器匹配方法包含了靜態與動態匹配法。靜態匹配方法就是借助檢測出來的換能器等效電路參數，接著按照該參數，采用串聯和并聯的方法，設計出恰當的匹配電路，讓其和換能器在某個固定的頻率產生諧振。而動態匹配就是說倘若換能器阻抗參數變化大，那么運用固定匹配電路難以確保換能器一直處在最好的諧振狀態，此時必須要借助動態匹配方法實現諧振。

3.2 匹配水聲換能器

依照換能器等效模型，可得出阻抗Z=R+jX=，按照匹配的基本原理，當換能器諧振的時候，電抗X就等于0，也就是w等于w_x等于，那么串聯支路里面單單剩下了R_L電阻。

在未接匹配的時候，在工作頻帶里面，相位接近90度，因此假設未接匹配電路，就會產生很大的無功功率，功率傳輸效率不高。因為換能器在工作頻帶里面呈容性，同時純電感元件不會導致能量消耗問題產生，且接一個電感調整負載阻抗，進而讓功放的輸出效率提升。匹配電路可以讓換能器在諧振頻率附近的時候，相位近似于0。因此，，可以計算出L₂等于1.33mH，匹配以后的相位，見圖1。匹配以后相位由20KHZ至26KHZ內均能夠降低到45度內。按照匹配以后電路計算得出等效系統函數，可計算出頻段范疇是20KHZ，而品質因數根據公式：，在這之中f₁，f₂是頻段的兩個邊界，而f₀是諧振頻率，因此可計算出Q等于3.56。在未增加匹配電感的時候，因為電壓、電流有效值很大，可因為相位差大，因此換能器功率低，同時傳輸效率不高。添加匹配電感以后，因為流過換能器的電壓以及電流相位差得到了有效的改進，換能器功率增加了，縮減了無功功率，提高了傳輸效率。

3.3 阻杭匹配

倘若負載電阻與功放輸出電阻差值較大，必然會造成阻抗失配，從而對功放輸出功率帶來很大的影響。通常是經過變壓器阻抗變換，實現功放輸出阻抗與換能器阻抗接近。對D類功放而言，輸出信號為PWM信號，包含了很多的諧波成分，優質的匹配網絡可以消除剩下的頻率成分，將功放負擔減輕。

（1）功放輸出阻抗檢測。假設用信號源輸出信號當成功放輸入信號，而輸出回路并不并接負載RL，檢測輸出電壓值是V_0∞;假設輸出回路并接負載R_L，那么輸出檢測值就是V_0L，那么可以運用以下公式計算出功放輸出電阻。，需要注意的一點就是檢測的過程中，需確保輸出波形不會失真，同時R_L需要盡可能接近功放輸出電阻，降低誤差。

（2）換能器等效并聯電阻。簡單來說，換能器諧振頻率是22.8KHZ，換能器L₁，C₁生成的動態電容與電感作用相抵消。假設并聯電感L₂可以在諧振頻率點將靜態電容作用抵消，就能得出等效并聯電阻。

（3）倘若功放輸出電路中的電壓V_g內阻是R_g阻性信號源，經過一只變壓器和負載轉變阻抗。在等效電路中V_s=N*V_g，R_s=N²*R_g，假設R_S和換能器匹配以后等效電阻R_L一致時，換能器得到的功率就是最大的，其匝數比就是1：8。

3.4 改善的匹配電路

根據以上匹配以后的相位，可了解到在接近20kHz的相位是正的，而接近30kHz的相位是負的，因此，可增加一個電感與電容，在接近20KHZ呈容性，在接近30KHZ呈感性消除匹配剩下的電抗。通過電感L₂消除換能器容性，假設L₂電感值是1.264mH，借助公式可以將電抗值求出來。接著經過串聯電感與電容消除最大值與最小值，求出串聯電感L₃為10.09mH，而串聯電容C₃為4.36nF，求出匹配以后的電抗值與相位值。因此，此次改善以后的電路相位得到了一定的提升。

4 結束語

此次設計了D類功放與換能器匹配電路，為避免高頻輻射與信號還原，輸出信號經過濾波器消除高頻成分。此次匹配內容就是諧振調節，換能器借助匹配等效成一個阻元件，也就是將電壓與電流相位差縮減，獲取到高效率。匹配阻抗，通過變壓器變換等效阻抗，得到高功率輸出。