排水管道聲吶成像檢測(cè)中換能器阻抗匹配技術(shù)研究

摘" 要： 針對(duì)目前聲吶檢測(cè)信號(hào)易震蕩拖尾、電聲能量互換效率低和排水管道聲吶檢測(cè)圖像難以分辨等問(wèn)題，著重研究導(dǎo)致這些問(wèn)題的收發(fā)一體聲吶換能器阻抗匹配核心技術(shù)，從聲吶換能器等效電路建模、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和電路實(shí)現(xiàn)并測(cè)試三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。對(duì)加入阻抗匹配電路前后的聲吶換能器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的阻抗匹配電路簡(jiǎn)單有效，聲吶成像圖像清晰，并且聲吶成像檢測(cè)結(jié)果定量分析誤差率低，被測(cè)試物體長(zhǎng)度、寬度和對(duì)角線(xiàn)距離的聲吶檢測(cè)量誤差率分別為1.04%、1.71%和1.37%，符合最新的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。研究成果能夠提升排水管道病癥檢測(cè)的能力，對(duì)城市內(nèi)澇災(zāi)害防治具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 聲吶換能器； 阻抗匹配； 聲吶成像檢測(cè)； 高水位排水管道； 等效電路； 散射參數(shù)； 軟件仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： TN29?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）14?0129?06

Research on transducers impedance matching technology in sonar imaging

detection of drainage pipelines

ZHU Jun1， 2， WANG Yongtao3

（1. School of Electronic Information and Communications， Hubei Open University， Wuhan 430074， China;

2. School of Electronic Information and Communications， Hubei Science and Technology College， Wuhan 430074， China;

3. School of Automation， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract： In allusion to the current problems of sonar detection signals being prone to oscillation and tailing， low efficiency of electroacoustic energy exchange， and difficulty in distinguishing sonar detection images in drainage pipelines， the core technology of impedance matching for integrated sonar transducers is researched emphatically， and the detailed research was conducted from three aspects： equivalent circuit modeling of sonar transducers， impedance matching network design， and circuit implementation and testing. The comparative analysis was conducted on the testing results of sonar transducers before and after the addition of impedance matching circuits. The results show that the designed impedance matching circuit is simple and effective， the sonar imaging images is clear， and the quantitative analysis error rate of sonar imaging detection results is low. The error rates of sonar detection quantities for the length， width， and diagonal distance of the tested object are 1.04%， 1.71%， and 1.37%， respectively， which met the latest industry technical standards. The research findings can improve the detection ability of drainage pipeline diseases， which is of great significance for the prevention and control of urban waterlogging disasters.

Keywords： sonar transducer; impedance matching; sonar imaging detection; high water?level drainage pipeline; equivalent circuit; scattering parameter; software simulation

0" 引" 言

地下管道排水能力減弱是導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，故排水管道病癥檢測(cè)受到高度關(guān)注。2023年增發(fā)國(guó)債1萬(wàn)億元，用于防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)等八大方面，“城市排水防澇能力提升行動(dòng)”是其中之一[1]。因此，研發(fā)高性能的排水管道病癥檢測(cè)儀器具有重要的意義。

目前排水管道病癥檢測(cè)儀器主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是管道低水位環(huán)境下的視頻類(lèi)檢測(cè)儀器，包括管道機(jī)器人、管道潛望儀、管道內(nèi)窺儀等[2?3]，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，視頻類(lèi)管道檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟；另一類(lèi)是管道高水位環(huán)境下的物探類(lèi)檢測(cè)儀器，包括管道聲吶成像儀、管道磁法儀、管道電法儀等[4?5]，物探類(lèi)檢測(cè)技術(shù)最近幾年才應(yīng)用到排水管道檢測(cè)領(lǐng)域，很多關(guān)鍵技術(shù)值得研究。管道聲吶成像儀的作用是檢測(cè)出管道塌陷、管道變形和淤泥堵塞等影響防澇能力的工程問(wèn)題，目前實(shí)際使用中對(duì)于管道聲吶成像有一定的效果，但也存在聲吶檢測(cè)信號(hào)易振蕩拖尾、信號(hào)有功功率低、聲場(chǎng)輻射聲壓弱等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管道聲吶圖像復(fù)雜、異常難分辨和有效檢測(cè)距離短等問(wèn)題，主要原因之一是聲吶換能器驅(qū)動(dòng)電路阻抗不匹配[6?7]。聲吶換能器驅(qū)動(dòng)電路阻抗匹配研究工作在醫(yī)療領(lǐng)域、地質(zhì)石油測(cè)井領(lǐng)域和工程領(lǐng)域有大量的研究[8?11]，但在地下排水管道檢測(cè)領(lǐng)域還是一個(gè)新課題。

本文以高水位地下排水管道聲吶成像病癥檢測(cè)為應(yīng)用背景，著重研究收發(fā)一體聲吶換能器電聲能量互換的阻抗匹配核心技術(shù)，從聲吶換能器等效電路建模、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、電路實(shí)現(xiàn)并測(cè)試三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)研究。

1" 管道聲吶成像檢測(cè)總體思路

排水管道聲吶成像檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，圖中為檢測(cè)系統(tǒng)橫截面。

城市內(nèi)主排水管道或者重要管道常年處于高水位運(yùn)行狀態(tài)下，聲吶成像檢測(cè)探頭在漂浮裝置的作用下，懸浮在管道內(nèi)水中。探頭內(nèi)激勵(lì)電路周期性產(chǎn)生檢測(cè)脈沖，激發(fā)聲吶換能器，向外發(fā)射聲吶波，遇到管道壁后形成聲吶回波反射，回波被換能器檢測(cè)到后，將聲能量轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，交給接收電路處理?；夭ㄐ盘?hào)中包含兩種信息：一種是探頭到管道壁之間的距離信息，可以用發(fā)射波與回波之間的間隔時(shí)間信息計(jì)算得到；另一種是排水管道壁的腐蝕狀況或者完整性信息，可以通過(guò)回波的電壓幅度值得到。一道回波可以得到管道壁上一個(gè)點(diǎn)的信息，順時(shí)針將換能器旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，再次發(fā)射聲吶波，又可以得到管道壁相鄰點(diǎn)的信息。只要換能器每次旋轉(zhuǎn)的角度不大于換能器波束角的[12]，累計(jì)旋轉(zhuǎn)360°后，使用所有點(diǎn)的信息在xy平面上繪制二維聲吶時(shí)間圖或者聲吶幅度圖，就可以反映出探頭當(dāng)前位置排水管道圓周的狀況。探頭在電纜的牽引下，沿z軸移動(dòng)一小段距離，再次重復(fù)上面的過(guò)程，可以得到排水管道相鄰圓周的信息。把整段管道的所有圓周信息按距離組合在一起，最終可以形成排水管道三維聲吶圖，排水管道缺陷信息也在三維圖中一目了然。

一次聲吶發(fā)射接收過(guò)程，電聲能量要互換兩次，核心部件就是聲吶換能器。電聲能量的高效率轉(zhuǎn)換主要取決于驅(qū)動(dòng)電路與換能器之間的阻抗匹配，本文將詳細(xì)研究排水管道聲吶換能器阻抗匹配技術(shù)。

2" 聲吶換能器建模

聲吶換能器實(shí)物圖和等效模型如圖2所示。圖2a）的聲吶換能器實(shí)物圖為圓柱體結(jié)構(gòu)，圓面直徑為40 mm，高為16 mm，從下至上分為三層，分別為基座、壓電材料層和匹配保護(hù)層，2根導(dǎo)線(xiàn)從壓電材料層兩端引出，保護(hù)層保護(hù)換能器能在高溫高壓環(huán)境下正常工作。為了便于安裝，聲吶換能器整體粘貼在最下面的機(jī)械鋁件上。

聲吶換能器等效電路模型常用巴特沃斯（Butterworth?Van?Dyke， BVD）模型表示，如圖2b）所示，由兩種支路構(gòu)成，分別為并聯(lián)支路和串聯(lián)支路[12]。并聯(lián)支路只有一條，如果換能器有多個(gè)諧振頻率，則串聯(lián)支路就有多條。串聯(lián)支路由動(dòng)態(tài)電阻[Rs]、動(dòng)態(tài)電容[Cs]和動(dòng)態(tài)電感[Ls]串聯(lián)構(gòu)成，當(dāng)串聯(lián)支路阻抗最低時(shí)，電聲轉(zhuǎn)換效率最高，聲吶波能量最強(qiáng)，此時(shí)串聯(lián)電容和電感的電抗相互抵消，計(jì)算可得諧振頻率[fs]，公式如下：

[fs=12π1LsCs]" " " " " " " "（1）

并聯(lián)支路由靜態(tài)電容[C0]和介電損耗電阻[R0]并聯(lián)構(gòu)成，由于[R0]比[Rs]大很多，計(jì)算時(shí)可以不考慮[13]。當(dāng)換能器阻抗最大時(shí)，聲電轉(zhuǎn)換效率最高，接收信號(hào)最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的反諧振頻率[fp]公式[14]如下：

[fp=12πC0+CsLsC0Cs]" " " " " " "（2）

阻抗分析儀測(cè)得聲吶換能器實(shí)際參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示，實(shí)測(cè)導(dǎo)納頻率曲線(xiàn)如圖3虛線(xiàn)所示。

從圖3導(dǎo)納頻率曲線(xiàn)中可以觀測(cè)到，聲吶換能器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是匹配保護(hù)層最小阻抗點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率[fs1]，如m1點(diǎn)所示；另一個(gè)是壓電材料層最小阻抗點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率[fs2]，如m2點(diǎn)所示。

要充分考慮換能器整體能量轉(zhuǎn)換效率，通常換能器激勵(lì)脈沖頻率[f]選擇在諧振頻率[fs1]和[fs2]的中點(diǎn)附近，如公式（3）所示。

[f=fs1-fs22+fs1] （3）

結(jié)合表1中實(shí)測(cè)參數(shù)值，理論計(jì)算得到換能器激勵(lì)脈沖頻率為500.95 kHz，但實(shí)際影響激勵(lì)脈沖頻率的因素很多，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)圖3實(shí)測(cè)導(dǎo)納頻率曲線(xiàn)圖，聲吶換能器等效電路導(dǎo)納表達(dá)式如下：

[Y=jωC0+i=121（Ri+1（jωCi）+jωLi）]" （4）

根據(jù)公式（4）和基本BVD模型，在射頻微波仿真系統(tǒng)ADS（Advanced Design System）軟件中建立模型，電路圖如圖4所示。在ADS軟件中優(yōu)化模型中電阻、電容和電感等元件參數(shù)，仿真得到BVD等效電路導(dǎo)納頻率曲線(xiàn)圖，在圖3中與換能器實(shí)測(cè)導(dǎo)納曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析，2個(gè)諧振頻率點(diǎn)m1和m2相同，換能器激勵(lì)脈沖頻率[f]附近區(qū)間曲線(xiàn)吻合較好，其他頻率區(qū)間曲線(xiàn)基本保持一致，所以圖4所示換能器BVD等效電路元件參數(shù)有效，可以代替換能器作為負(fù)載進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)。

3" 聲吶換能器阻抗匹配設(shè)計(jì)

在ADS仿真軟件中，通過(guò)對(duì)聲吶換能器BVD等效電路模型的分析，同時(shí)考慮到信號(hào)發(fā)生器電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，換能器激勵(lì)脈沖頻率[f]選擇為500 kHz。等效電路在500 kHz時(shí)的阻抗為（46-151j）Ω，此阻抗值作為輸入阻抗，代替換能器成為匹配網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載端口2。如圖5所示，采用簡(jiǎn)單的T型匹配結(jié)構(gòu)，端口1代替信號(hào)發(fā)生器，內(nèi)阻為50 Ω。利用ADS軟件中Smith Chart仿真模塊設(shè)計(jì)排水管道聲吶換能器阻抗匹配參數(shù)，盡量使用元件常用標(biāo)稱(chēng)值或者附近值，優(yōu)化后的元件參數(shù)如圖5所示。

元件參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程實(shí)際上是對(duì)阻抗匹配二端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)（Scattering，S參數(shù)）調(diào)整的過(guò)程，S參數(shù)反映了換能器T型匹配網(wǎng)絡(luò)能量傳遞的特性，如圖6所示。輸入反射系數(shù)[S11]，它是端口1反射功率與輸入功率的比值，此回波損耗越小越好。由圖6可知，500 kHz時(shí)回波損耗[S11]為-35.712 dB，如m3點(diǎn)所示?？紤]到聲吶遇到排水管道壁可能產(chǎn)生頻散現(xiàn)象，在480～520 kHz范圍內(nèi)回波損耗[S11]小于-20 dB，滿(mǎn)足工程要求。輸出傳輸系數(shù)[S21]是端口2輸出功率與端口1輸入功率的比值，比值越大，說(shuō)明輸出能量越多。500 kHz時(shí)，[S21]為-0.001 dB，輸入能量幾乎全部輸出，如m4點(diǎn)所示。在480～520 kHz范圍內(nèi)[S21]大于-1 dB，說(shuō)明換能器T型阻抗匹配電路性能達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

4" 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)繪制換能器激勵(lì)電路，并和排水管道成像檢測(cè)的其他電路一起組成完整的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。圖7a）是系統(tǒng)中核心部件探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，左側(cè)為電路倉(cāng)，本文設(shè)計(jì)的換能器激勵(lì)電路位于此處；右側(cè)為換能器，兩部分通過(guò)排線(xiàn)連接傳遞信號(hào)。利用機(jī)械裝置設(shè)計(jì)，換能器可以360°旋轉(zhuǎn)并發(fā)射信號(hào)，掃描排水管道壁完整一周的信息。圖7b）是搭建的聲吶換能器實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，電纜連接著主機(jī)和探頭，主機(jī)通過(guò)USB線(xiàn)給PC機(jī)傳遞測(cè)試數(shù)據(jù)，探頭置于方桶容器中，利用方桶模擬排水管道環(huán)境，探頭的換能器部分位于水中。

圖8是方桶聲吶測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖，其中圖a）和圖b）是不加阻抗匹配電路的結(jié)果，圖c）是加入阻抗匹配電路后的結(jié)果。

圖8a）是激勵(lì)電壓為100 V時(shí)的方桶聲吶成像測(cè)試二維圖，由于阻抗不匹配，電聲能量轉(zhuǎn)化效率低，除了和換能器垂直的8個(gè)方位有反射信號(hào)成像外，其他位置幾乎沒(méi)有，方桶的輪廓分辨不清。增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能量，加大激勵(lì)電壓到500 V，得到圖8b）所示的測(cè)試結(jié)果，雖然方桶的輪廓大部分呈現(xiàn)出來(lái)，但噪聲很大，雪花般的噪聲幾乎鋪滿(mǎn)顯示界面，同時(shí)聲吶波二次反射嚴(yán)重，整個(gè)測(cè)試結(jié)果二維圖凌亂，假異常點(diǎn)增多，無(wú)法定量分析。圖8c）是加入阻抗匹配電路后激勵(lì)電壓為100 V時(shí)的結(jié)果，方桶輪廓清晰，可以發(fā)現(xiàn)注入水后方桶四周稍有變形，可以定量分析。聲吶圖中方桶長(zhǎng)邊測(cè)量距離為584 mm，圖中圓心處環(huán)形圖像是探頭塑料外殼多次反射后成像，可以忽略不計(jì)。

基于圖8c）測(cè)試結(jié)果，表2是方桶聲吶測(cè)量值定量分析的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖9為聲吶換能器檢測(cè)量，對(duì)應(yīng)表2中數(shù)據(jù)。分別對(duì)方桶的長(zhǎng)、寬和對(duì)角線(xiàn)三個(gè)值進(jìn)行定量分析，對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)毫米尺測(cè)量值和聲吶檢測(cè)值，誤差率很小，滿(mǎn)足排水管道實(shí)際檢測(cè)要求。

通過(guò)對(duì)圖7方桶聲吶測(cè)試平臺(tái)、圖8測(cè)試結(jié)果和表2數(shù)值誤差統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)果。

1） 設(shè)計(jì)的聲吶換能器阻抗匹配電路是有效的。測(cè)試結(jié)果中圖8c）相對(duì)于8a）加入阻抗匹配電路后，在同樣激勵(lì)電壓為100 V的情況下，電聲能量轉(zhuǎn)化效率更高，噪聲更低，方桶輪廓清晰。

2） 加入阻抗匹配電路后，聲吶成像檢測(cè)結(jié)果定量分析誤差率更低。

表2中方桶長(zhǎng)度、寬度和對(duì)角線(xiàn)距離的聲吶檢測(cè)量相對(duì)于實(shí)際測(cè)量值誤差率分別為1.04%、1.71%和1.37%，符合最新的城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15]。

5" 結(jié)" 論

本文針對(duì)目前聲吶檢測(cè)信號(hào)易振蕩拖尾、電聲能量互換效率低和排水管道聲吶檢測(cè)圖像難以分辨等問(wèn)題，著重研究導(dǎo)致這些問(wèn)題的收發(fā)一體聲吶換能器阻抗匹配核心技術(shù)，從聲吶換能器等效電路建模、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和電路實(shí)現(xiàn)并測(cè)試三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。對(duì)排水管道聲吶成像檢測(cè)中電聲能量互換關(guān)鍵技術(shù)阻抗匹配進(jìn)行了研究，分析了聲吶換能器特性并建立了電路模型，設(shè)計(jì)了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路，搭建了系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。

對(duì)加入阻抗匹配電路前后的聲吶換能器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聲吶換能器阻抗匹配電路是有效的，被測(cè)試物輪廓完整且清晰，聲吶成像成果可用于定量分析；檢測(cè)誤差率最大為1.71%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高水位排水管道病癥檢測(cè)具有重要意義。

注：本文通訊作者為朱珺。

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