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声波定向驱散系统换能器分析及驱动电路设计与实现

王栋  
【摘要】:声波定向驱散系统采用一种可以产生大功率高指向性声波的新技术,可以对陆地特定人群进行通信、示警和驱散,对海上目标进行通信、示警、安全距离界定与威慑;同时可以应用于机场驱鸟、航空母舰驱鸟及港口安全等场合。 本文的研究对象是应用于大功率驱散设备的声波定向系统,旨在分析其关键组成部分——压电换能器的电学特性和组阵原理,利用较小功率换能器通过换能器组阵实现大功率声波输出。根据对换能器等效电路中元件的电学参数的分析结果,设计并制作一款较大功率、较高效率、低失真的驱动电路。 声波定向驱散技术产生的大功率指向性声波是通过换能器组阵技术实现的。由于单个换能器指向性有限,通过组阵可以有效抑制声波旁瓣,使声波的指向性变得更好。同时由于单个换能器声压级相对较小,难以达到攻击指标,可以选择单个声压级较小的换能器组成阵列,加大系统输出功率达到设计攻击声压级。另外由于压电换能器表现为容性负载,在高频交流输出时,容性负载自身所表现的阻抗极小甚至近似短路,这种情况有可能导致器件热击穿或烧毁。因此基于对换能器阵列电学模型的研究,在功率放大器与换能器负载之间设计一级匹配网络,使得功放电路后级呈现阻性或感性。此时换能器工作于谐振状态,能够实现较大的电声转换效率。然后设计D类功率放大器作为换能器驱动电路,晶体管工作在开关状态,其理论效率高达90%以上。选用合适的驱动芯片,搭建其外围电路,配合以晶体管构成的H桥结构组成功率放大单元。为了简化设计过程,在Multisim 10.0中进行电路仿真,利用Altium Designer 6.9设计电路原理图以及PCB版图。最后对电路性能以及系统指向性和声压级进行测试。


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