一種分析壓電式水聽(tīng)器等效噪聲壓的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水聲傳感器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種分析壓電式水聽(tīng)器等效噪聲壓的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲波在水中傳播能量衰減比較慢，傳播距離遠(yuǎn)，可廣泛應(yīng)用于人類的海洋活動(dòng)中。 水聽(tīng)器及其前放作為水聲接收設(shè)備獲取水聲信號(hào)的最前端，相當(dāng)于人的耳目，專門用來(lái)獲 取外界信息，其噪聲的高低對(duì)水聲探測(cè)設(shè)備的整體性能有著重要的影響，目前應(yīng)用最多的 水聽(tīng)器是壓電式水聽(tīng)器，與之相匹配的信號(hào)調(diào)理電路一般為電壓放大器。雖然我們?cè)趯?shí)際 中廣泛應(yīng)用壓電式水聽(tīng)器和前放，在水聲接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般是依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷水聽(tīng)器和 前放噪聲的大小，沒(méi)有從理論上給出分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種分析壓電式水聽(tīng)器等效 噪聲壓的方法，具體應(yīng)用于分析計(jì)算壓電式水聽(tīng)器與前放調(diào)理電路的自噪聲大小，利用等 效電路的方法建立了評(píng)估壓電式水聽(tīng)器及其前放噪聲的分析模型，為優(yōu)化水聲接收系統(tǒng)的 噪聲提供了一種便捷的方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)完成的。這種分析壓電式水聽(tīng)器等效噪聲壓 的方法，該方法將壓電水聽(tīng)器等效成一個(gè)電容和電阻串聯(lián)的電路，通過(guò)電壓式前放將壓電 水聽(tīng)器輸出的電壓信號(hào)放大到一定量值內(nèi)，且以電壓形式輸出；分析計(jì)算壓電式水聽(tīng)器和 電壓型前放構(gòu)成的水聲接收傳感器的等效噪聲壓，最終的噪聲是以聲壓噪聲的形式表現(xiàn)出 來(lái)。
[0005] 所述的壓電式水聽(tīng)器包括壓電陶瓷水聽(tīng)器和壓電薄膜水聽(tīng)器以壓電原理為工作 機(jī)理的水聽(tīng)器，輸出端呈現(xiàn)電容性。
[0006] 該方法步驟如下：
[0007] (1)、首先建立水聽(tīng)器與前放相連之后的等效電路，將水聽(tīng)器視作一個(gè)電容CH與一 個(gè)電阻RH串聯(lián)的形式，es表示壓電元件產(chǎn)生的信號(hào)，前放的放大倍數(shù)為A，RiS前放輸入阻， 阻值為R的電阻產(chǎn)生的噪聲功率譜可表示為：
[0008] =4kTR (1)
[0009] 式中：k--玻爾茲曼常數(shù)，等于1. 38X10_23J/K;
[0010] T--絕對(duì)溫度，K;
[0011] R--電阻，Q;
[0012] (2)、在電路中添加電壓噪聲源和電流噪聲源，得到水聽(tīng)器與前放相連的噪聲分析 模型，eH表示由RH產(chǎn)生的熱噪聲，RH是一個(gè)與壓電陶瓷材料的損耗因子tanS有關(guān)的量，且 大小與頻率有關(guān)：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分析壓電式水聽(tīng)器等效噪聲壓的方法，其特征在于：該方法將壓電水聽(tīng)器等效 成一個(gè)電容和電阻串聯(lián)的電路，通過(guò)電壓式前放將壓電水聽(tīng)器輸出的電壓信號(hào)放大到一定 量值內(nèi)，且以電壓形式輸出；分析計(jì)算壓電式水聽(tīng)器和電壓型前放構(gòu)成的水聲接收傳感器 的等效噪聲壓，最終的噪聲是以聲壓噪聲的形式表現(xiàn)出來(lái)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析壓電式水聽(tīng)器等效噪聲壓的方法，其特征在于：所述的 壓電式水聽(tīng)器包括壓電陶瓷水聽(tīng)器和壓電薄膜水聽(tīng)器以壓電原理為工作機(jī)理的水聽(tīng)器，輸 出端呈現(xiàn)電容性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析壓電式水聽(tīng)器等效噪聲壓的方法，其特征在于：該方法 步驟如下： (1) 、首先建立水聽(tīng)器與前放相連之后的等效電路，將水聽(tīng)器視作一個(gè)電容(^與一個(gè)電 阻&串聯(lián)的形式，es表示壓電元件產(chǎn)生的信號(hào)，前放的放大倍數(shù)為A，L為前放輸入阻，阻 值為R的電阻產(chǎn)生的噪聲功率譜可表示為：
式中：k--玻爾茲曼常數(shù)，等于1. 38X1(T23J/K; T--絕對(duì)溫度，K; R--電阻，Q; (2) 、在電路中添加電壓噪聲源和電流噪聲源，得到水聽(tīng)器與前放相連的噪聲分析模 型，eH表示由RH產(chǎn)生的熱噪聲，RH是一個(gè)與壓電陶瓷材料的損耗因子tanS有關(guān)的量，且大 小與頻率有關(guān)：
代入（1)計(jì)算得到水聽(tīng)器熱噪聲功率譜密度可表示為：
eKi為前放輸入電阻Ri產(chǎn)生的熱噪聲，其噪聲功率譜密度可表示為：
eA為前放等效輸入電壓噪聲，iA為前放等效輸入電流噪聲，對(duì)于同一種前放這兩個(gè)量 是已知的； (3) 、分別計(jì)算噪聲源eH、eKi、％和iA在前放輸出端V。上產(chǎn)生的電壓噪聲：
以上式中的《CH表示水聽(tīng)器的容抗，用噪聲功率疊加計(jì)算總的輸出噪聲：
(9)式中的％即為無(wú)聲壓、噪聲和其他干擾時(shí)水聽(tīng)器輸出的電壓噪聲，若無(wú)前放時(shí)水聽(tīng) 器的靈敏度為凡，計(jì)算得到該水聽(tīng)器的等效噪聲壓匕為：
其中， CH 水聽(tīng)器的電容量； tan8一一壓電陶瓷材料的介電損耗因子； M〇 水聽(tīng)器無(wú)前放時(shí)的靈敏度； Ri--前放的輸入阻； eA一一前放等效輸入電壓噪聲譜密度；iA一一前放等效輸入電流噪聲譜密度。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分析壓電式水聽(tīng)器等效噪聲壓的方法，該方法將壓電水聽(tīng)器等效成一個(gè)電容和電阻串聯(lián)的電路，通過(guò)電壓式前放將壓電水聽(tīng)器輸出的電壓信號(hào)放大到一定量值內(nèi)，且以電壓形式輸出；分析計(jì)算壓電式水聽(tīng)器和電壓型前放構(gòu)成的水聲接收傳感器的等效噪聲壓，最終的噪聲是以聲壓噪聲的形式表現(xiàn)出來(lái)。本發(fā)明的有益效果為：該方法將水聽(tīng)器等效為電路元件，建立了計(jì)算水聽(tīng)器和前置放大器構(gòu)成的水聲接收系統(tǒng)等效噪聲壓的模型，利用該模型可以計(jì)算出接收系統(tǒng)的等效噪聲壓。該方法可以為低噪聲水聽(tīng)器設(shè)計(jì)，水聽(tīng)器的前置放大器設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號(hào)】CN104573346
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410829059
【發(fā)明人】郭西洋, 蔡郭棟, 李小英, 陳毅
【申請(qǐng)人】中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月26日