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声波信号系统的研究开发 　　摘 要：在声学测量中，为了获得准确的、高精度的测量数据，一个高稳定度、高精度与信号输出灵活的信号源是十分必要的。本文通过对比以往沉积物声学测量试验中的测量仪器，根据海底沉积物声学特性测量的要求，给出了一种更为合理的声波信号系统的方案。 　　关键词：声波；信号系统；研究 　　1 前言 　　为满足人类社会的需求，人类加大了对海洋的开采力度，海洋工程项目和各种经济活动不断地进行，这促进了人类对海底沉积物研究技术的不断探索。海底沉积物的研究在军事上也有着十分重要的作用。由于海底沉积物在海洋资源开发、海底工程建设、海地测绘、海洋灾害预报、海底历史、航运国防等海洋工程方面应用的重要性，使得这些海洋工程的建设迫切需要了解海底沉积物的结构特征，所以对沉积物的研究越来越受到海洋地质学家的重视，对其物物理特性和声学特性的研究可以为海洋开发建设提供技术支持。声波的传播特性与传播介质本身的物理结构特性有着密切的关联，由于海底沉积物由颗粒状的固体矿物质和生物碎屑长期经过地质运动、洋流输运及海洋生物分解等作用下，通过沉积和堆积形成的一种松散的孔隙骨架结构，是一种复杂的孔隙物质，在骨架间的孔隙中充填有海水和少许空气的一种典型?A非完全弹性体孔隙介质，具有了复杂的结构特征。因此研究开发新的声波检测仪对快速和准确获取海底沉积物声特性数据具有重要的技术价值。 　　2 海底沉积物声学特性量系统的研究现状 　　由于海底沉积物形成过程的特殊性，使其具有复杂的声学特性。而声波在沉积物中传递过程中，其反射回波信号包含了海水与沉积物的物理、声学等信息，使得超声探测成为海底沉积物探测的主要甲段。因此目前对海底沉积物的探测主要以超声波探测为主，通过对发射声波与回波的分析提取沉积物的声速、声衰减和频谱特性等声学特性为了获取沉积物的力学物理特性，目前主要是通过研究沉积物的声速和声衰减特性来研究沉积物的物理力学性质。 　　当前在对海底沉积物声学特性的声学测量中，目前国内外普遍采用直接测量法进行研究，而直接测量法包括原位测量和实验室测量两种方法。原位测量在国外目前已经广泛使用，我国虽然有关单位已经研制出原位测量技术，但原位测量工作效率低，因此实验室直接测量法仍然是一种主要手段。 　　3 信号处理中低通滤波 　　直接数字合成技术在信号稳定度、精度和灵活度等方面满足本文的设计要求，它的输出信号频率的改变是通过数字化来实现的，无需像传统的模拟信号源那样通过改变电阻电容参数的大小来改变频率因此本课题中采用时钟合成芯片作为信号的合成芯片，以单片机作为控制器，根据实际测量需要，系统的总体设计方案如图1所示。 　　系统主要分为信号源模块、信号调理模块和通信模块三大部分。信号源模块包括：温度检测模块，负责对实验测量现场温度的检测，以记录实验的温度条件；时钟合成模块，信号源的核心部分，负责输出高精度、高稳定度、频率可调的超声信号；波形计数模块，主要负责对系统发射的波形个数进行控制；换能器驱动模块，负责对芯片合成的单片的小信号进行功率放大，在此之前需要进行电气隔离，功率放大后需要进行阻抗匹配，以实现换能器输出信号达到最佳状态。 　　4 检测实验与信号的时域和频谱分析 　　超声测量的声波测量数据包含着重要的时域与频谱信息，这些信息能够对测量仪器的测量精度和稳定性分析提供重要的依据。通过时域与频谱分析技术，可以分析声波测量仪器的性能，包括判定仪器的状态、测量信号的主频，以及分析信号主频的变化规律，同时还能修正测量中的异常数据。实例表明，时域分析能够很好反映出系统信号随时间的变化关系，以及频率的组成与纯度，对信号频率的精度与稳定性有很好的分析；而频谱分析则是对与时域描述相对应的频域进行描述，求出从中找出信号频谱的变化规律，以达到特征提取的目的。 　　为了验证系统信号的稳定性与可靠性，本文采用时域与频谱分析技术对系统的输出特性进行分析。以下四个步骤对信号系统进行检测： 　　（1）系统输出信号精度测量；在未接换能器（空载）条件下，通过示波器记录在AD9850理论状况下输出信号频率为20KHz和40KHz时，系统输出信号的实际频率参数，并通过多次测量，每次测量系统重新启动。 　　（2）系统输出信号稳定度测量；在未接换能器（空载）条件下，在相同的输入条件下，用示波器测量AD9850输出信号频率，并通过等时间间隔记录，在不同时间下的频率参数。 　　（3）将发射换能器和接收换能器对接在一起，在两换能器接触表面加入藕合剂，如凡士林等以减小空气对声波信号的衰减作用，通过示波器测出接收换能器接收到的信号波形图和采样数据。通过绘图软件对示波器所采到的数据进行图形绘制，然后进行频谱分析，将得出的频率信息与参考频率信息、相比较，判断主频特性。 　　（4）将发射换能器