水声功率放大器驱动水声换能器测试系统
水声功率放大器驱动水声换能器测试系统
声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动，在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好，因此声波是目前水下通信的主要手段。水声通信中的一个关键设备就是水声换能器，它是发射和接收水中声信号的装置。应用最广泛的是电声转换的水声换能器，即转换电能为水中声能的水声发射器，以及转换水中声能为电能的水声接收器(即水听器)。显然，换能器的性能将直接影响到水声通信的质量。
水声换能器测试系统：信号发生器、水声功率放大器、测量放大器、带通滤波器及绘图仪等。
测试原理：
通过信号发生器给功率放大器提供一个激励信号（正弦波），功率放大器将特定频率和幅度的信号送给水下的发射换能器，将电信号转换为声信号；声信号通过喇叭有方向性向水下传播，待测换能器在一定距离远处做匀速的水平转动，在各个角度接收声信号并转换成电信号；测量放大器接收从换能器传输过来的电信号，经带通滤波器过滤后送给绘图仪打印角度－幅度的测试曲线。
功率放大器输出功率要求100W，频率2KHz-200KHz，信号发生器输出电压幅度只有10Vp-p，接上功率放大器ATA-4051，输出电压达到了310Vpp，功率最大218Wp，频率范围是DC-500KHz，完全满足驱动测试需求，可直接进行驱动水声换能器。
浅谈音响功放的工作原理
浅谈音响功放的工作原理 音响中的功放是整个音响设备中的关键部件,所以音响发烧友们都在其上不惜花费人力物力财力进行"摩机",在电源部分,电路的整体布局,用料等方面进行不断改良.本人并不是超级发烧友,充其量算是一位音响爱好者吧,为此在这里我就以一个音响爱好者的身份谈一谈我对音响功放的看法. 功放分胆机与石机,先讨论石机.石机最初的功放为甲类功放,这类功放的功放管的工作点选在管子的线性放大区,所以就算在没有信号输入的情况下,管子也有较大的电流流过,且其负载是一个输出变压器,在信号较强时由于电流大,输出变压器容易出现磁饱和而产生失真,另外为了防止管子进入非线性区,此类放大器往往都加有较深度的负反馈,所以这种功放电路效率低,动态范围小,且频响特性较差.对此人们又推出了一种乙类推挽式功率放大器,这类功放电路其功放管工作在乙类状态,即管子的工作点选在微道通状态,两个放大管分别放大信号的正半周和负半周,然后由输出变压器合成输出.所以流过输出变压器的两组线圈电流方向相反,这就大大地减少了输出变压器的磁饱和现象.另外由于管子工作在乙类状态,这样不仅大大的提高了放大器的效率且也大大的提高了放大器的动态范围,使输出功率大大提高.所以这种功放电路曾流行一时.但人们很快发现,此种功电路由于其功放管工作在乙类工作状态,所以存在小信号交越失真的问题,而且电路需使用两个变压器(一个输出变压器,一个输入变压器),由于变压器是感性负载,所以在整个音频段内,负载特性不均衡,相移失真较严重.为此人们又推出了一种称为OTL的功率放大电路.这种电路的形式其实也是一种推挽电路形式,只不过是去掉了两个变压器,用一个电容器和输出负载进行藕合,这样一来大大的改善了功放的频响特性.晶体管构成的功放电路有了质的飞跃,后来人们又改良了此种电路,推出了OCL和BTL电路,这种电路将输出电容也去掉了,放大器与扬声器采取直接藕合方式,直到现在由晶体管组成的功放电路,其结构基本上是OCL电路或BTL电路.OCL电路与OTL电路不同之处是采取了正负电源供电法,从而能将输出电容取消掉.BTL电路是由两个完全独立的功放模块搭建组成,如图C所示.IC1放大输出的信号一部分通过IC2反相输入端,经IC2反相放大输出,负载(扬声器)则接在两放大器输出之间,这样扬声器就获得由IC1和IC2放大相位相差180度的合成信号了. 不论是OCL或BTL功放电路,由于其去除了输出变压器和输出电容器,使放大器的频响得到展宽。与扬声器配接方面，当功率放大器连接一个标称阻抗低于
水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识 地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。 1. 水声换能器的应用 目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。这里仅介绍几种在水下探测方面的应用： （1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。 （2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。一般工作频率在100kHz~500kHz。 （3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。 2. 水声换能器的分类 换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。如廿世纪中叶开发的压电陶瓷是经过高压直流极化处理之后才具有压电性的，因此，被称作电致伸缩材料，是当今压电换能器的主流，尤其在超声换能器领域有极其广泛的使用价值。 水声换能器按照不同的振动模式可以分为以下几类： （1）纵向振动换能器：其振动方向与长度方向平行。在换能器的长度方向传播应力波，它的谐振基频取决于长度，是声纳系统中使用得最广泛的类型。 （2）圆柱形换能器：采用压电陶瓷圆管（或圆环），通过合适的机械结构，安装成所需的长度。它可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器，是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型，此外它还是水声计量中惯用的标准水听器和标准发射器的选型之一。 （3）弯曲振动换能器：弯曲振动换能器具有低频下尺寸小、重量轻的优点（与相同频率下、同一种有源材料的换能器相比较），其振动形式有弯曲梁、弯曲圆盘、弯曲板等。
音频功率放大器设计详解
音频功率放大器设计 一、设计任务 设计一个实用的音频功率放大器。在输入正弦波幅度≤5mV，负载电阻等于8Ω的 条件下，音频功率放大器满足如下要求： 1、最大输出不失真功率P OM≥8W。 2、功率放大器的频带宽度BW≥50Hz~15KHz。 3、在最大输出功率下非线性失真系数≤3%。 4、输入阻抗R i≥100kΩ。 5、具有音调控制功能：低音100Hz处有±12dB的调节范围，高 音10kHz处有±12dB的调节范围。 二、设计方案分析 根据设计课题的要求，该音频功率放大器可由图所示框图实现。 下面主要介绍各部 分电路的特点及要求。 图1 音频功率放大器组成框图 1、前置放大器 音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输
出驱动扬声器。声音源 的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。 对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100μV~几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低
功率放大器原理功率放大器原理图
袁蒁膃蚇腿肀肃功率放大器原理功率放大器原理 图 芃蚆葿艿袂薇蒆要说功率放大器的原理，我们还是先来看看功率放大器的组成：射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。 射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。 螆肇葿蚄蚆芈羁功率放大器原理 衿蚈膂袆袆膁螁高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在“低频电子线路” 课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。 高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100％，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。 我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000 Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百kHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（535－1605 kHz的频段范围）的频带宽度为10 kHz，如中心频率取为1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。 近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率
201110水声换能器在水下探测应用中的发展
水声换能器在水下探测应用中的发展 郑乙 （海军装备部，山西侯马043003） [摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。 [关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展 1新型压电复合换能器 图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图 图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图 月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图 3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的 压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔 体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们 都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过 板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从 而提高压电材料的性能。 其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换 能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状 金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的 纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电 耦合性能d h 。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽 状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复 合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。 表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能 2钹式换能器 图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图 图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移 阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属 片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢 等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性 能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的 压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使 用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用 于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的 材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器 使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常 用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压 电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两 金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向 的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向 的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵 向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产 生了金属端帽位移的放大。 3钹式压电换能器的特点及应用前景 3.1钹式压电换能器的特点 1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大 的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工 作深度限制。 2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列， 该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装 灵活，对平台结构无要求。 3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵， 获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。 4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页）
功放的原理
功放俗称“扩音机”他的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，推动音箱放声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。 功放是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。 功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。 功放分类 按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B 类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类功放（又称D类）。 甲类功放是指在信号的整个周期内（正弦波的正负两个半周），放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止（即停止输出）的一类放大器。甲类放大器工作时会产生高热，效率很低，但固有的优点是不存在交越失真。单端放大器都是甲类工作方式，推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或甲乙类。 乙类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类 放大器，每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生交越失真。 甲乙类功放界于甲类和乙类之间，推挽放大的每一个“臂”导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。甲乙类放大有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，因此获得了极为广泛的应用。 丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高，体积小的优点。许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。 按功放输出级放大元件的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器。 单端放大器的输出级由一只放大元件（或多只元件但并联成一组）完成对信号正负两个半周的放大。单端放大机器只能采取甲类工作状态。 推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器。 按功放中功放管的类型不同，可以分为胆机和石机。 胆机是使用电子管的功放。 石机是使用晶体管的功放。 按功能不同，可以前置放大器（又称前级）、功率放大器（又称后级）与合并式放大器。功率放大器简称功放，用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。不带信号源选择、音量控制等附属功能的功率放大器称为后级。 前置放大器是功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度，提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。前置放大器也称为前级。 将前置放大和功率放大两部分安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放大器，我们家中常见的功放机一般都是合并式的。 按用途不同，可以分为AV功放，Hi-Fi功放。
5可抑制啸叫的音频功放汇总
可抑制啸叫的音频功放 李瑞彪,高安琪,付丽嘉 (哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨 150001） 摘要：声反馈现象普遍存在于各种领域的音频系统中，由于产生的啸叫会对用户的正常使用造成极大的困扰，传统的啸检测与抑制功率放大器面临着巨大的挑战。因此该系统着力实现一种新型带啸叫检测与抑制的音频功率放大器，该系统主要由拾音模块、放大模块、射随模块、DAC衰减模块、滤波器模块、显示模块、AY-TPA3112D1音频功放以及主控模块组成。主控模块采用msp430F149单片机作为微控制器，利用测频原理实现啸叫检测，通过自适应滤波抑制啸叫。衰减模块以可编程DAC8043作为衰减电路的核心，其余模块主要由音频专用芯片NE5532、OP07、LM358来完成。本系统能够对频率在为200HZ-10kHZ的音频信号进行放大之间清晰的输出音频，可以准确的进行啸叫检测并在啸叫频点进行有效的抑制。该作品多次论证设计方案，包括芯片选型、电路设计、PCB板布局、数字自适应滤波器算法的精简等，较为出色的完成了系统的各项指标。最后，从整体上分析，该作品能进行预置和控制，具有稳定、经济、功耗低等特点，是理想的带啸叫检测和抑制的音频功率放大器。 关键词：音频功率放大器；啸叫检测；DAC衰减；自适应滤波器 Inhibit Whistle Audio Amplifier LI Rui-biao, GAO An-qi, FU Li-jia （College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) Abstract: Acoustic feedback is widespread in various fields of audio system, due to be generated by the user's normal use howling cause great distress, traditional tsunami detection and suppression PA faces enormous challenges. Therefore, the implementation of a new system with a focus on howling detection and suppression of audio power amplifier, the system consists of pickup module, amplifier module, shooting with the module, DAC attenuation module, filter module, display module, AY-TPA3112D1 audio amplifier and the master module. Master module using msp430F149 microcontroller as a microcontroller, using frequency measurement principle to achieve howling detection, suppression howling through adaptive filtering. Programmable attenuator module as the core attenuation circuit DAC8043, the remaining modules mainly by dedicated audio chip NE5532, OP07, LM358 to complete.This system is capable of frequency 200HZ-10kHZ clear audio signal between the output of the audio amplification, can accurately be howling and howling frequency detection effectively suppressed. This work has demonstrated the design, including chip selection, circuit design, PCB board layout, streamlined digital adaptive filter algorithm, etc., the more indicators completed a remarkable system. Finally, the whole analysis, the work can be preset and control, with a stable economy, low power consumption and is ideal with howling detection and suppression of audio power amplifier. . Key words: audio power amplifier; howling detection; DAC attenuation; adaptive filter 1 设计任务及要求分析 1．1 要求概述 1.1.1 基本要求 作品来源：2014黑龙江电子设计大赛三等奖 作者简介：李瑞彪(1991-),男,2011级,电子信息工程专业指导教师：刘淞佐(1985-),男,讲师,水声工程学院 基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，设计并制作一个带啸叫检测与抑制功能的音频放大器，完成对台式麦克风音频信号进行放大，通过功率放大电路送喇叭输出，如图所示
功率放大器,功率放大器的特点及原理
功率放大器,功率放大器的特点及原理是什么? 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。 功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。 一、功率放大器的特点 向负载提供信号功率的放大器，通常称为功率放大器。功率放大器工作时，信号电压和电流的幅度都比较大，因此具有许多不同于小信号放大器的特点。 l．功率放大器的效率 功串放大的实质是通过晶体管的控制作用，把电源提供给放大器的直流功率转换成负载上的交流功率。交流输出功串和直流电源功率息息相关。一个功率放大器的直流电源提供的功率究竟能有多少转换成交流输出功率呢？我们当然希望功率放大器最好能把直流功率（PE= EcIc）百分之百转换成交流输出功率（Psc＝Uscisc）实际上却是不可能的。因为晶体管自身要有一定的功率消耗，各种电路元件（电阻、变压器等）要消耗一定的功率，这就有个效率问题了。放大器的效率η指输出功率Psc与电源供给的直流动率PE之比，即通常用百分比表示： η=Psc/PE 通常用百分比表示： η=Psc/PE×100% 效率越高，表示功率放大器的性能越好。 晶休管在大信号工作条件下，工作点会上下大幅度摆动。一旦工作点跳出输入或输出特性曲线的线性区，就会出现非线性失真。所以对声频功率放大器来说，输出功率总要和非线性失真联系在一起考虑。一般声频功率放大器都有两个指标棗最大输出功率和最大不失真输
水声学实验报告
实验一声压级传播衰减测量
实验一声压级传播衰减测量 1、实验目的 在实验室对自由球面波声场中传播衰减进行测量，掌握球面波衰减规律，掌握实验数据处理分析方法。 1.1、实验原理 在自由球面波声场中，沿球半径方向，声压的振幅值满足关系 p(r)- r 式中，A为常数，其值相当于r 1m处的声压幅值，因此水听器的输出信号幅度在球面波声场中随它离球心的距离成反比衰减。对上式可以取对数，得到声压级 随距离对数值的关系： p(r) SL 20log 上 P o A r 20log 20log - P°r°r o 式中P o 1 Pa , r o 1m。由上式可见，右边第一项为常数，它表示声源强度等于离源中心1m处得声压级。可见，在声压和距离的双对数坐标系统中，上式为一直线，并且距离每增加一倍，声压级减少6dB。 1.2、实验方法 实验在水箱内进行，实验中信号发射系统包括功率放大器、示波器、信号源、测量放大器、发射换能器、水听器各一个，测量系统连接示意图如图1所示。
图1测量系统连接示意图 将标准水听器装在带有距离刻度的扫描基阵架上。测量时由信号源发出单频脉冲信号，经功率放大器送入发射换能器，脉冲宽度应保证反射信号和直达波信号能够隔离。声波由标准水听器接收，水听器测量输出信号送到测量放大器后，再通过示波器可以直接读取直达接收信号脉冲峰的值，排除反射脉冲信号池壁反射波影响。1.3、实验测量步骤如下： 1）连接实验设备，并进行检查，确认连接正确； 2）发射换能器和接收水听器入水至合适深度，保证标准水听器测量时应与 发射换能器同深度，发射换能器与水听器之间的初始测量距离为0.2m； 3）调节测量功率放大器和示波器，观测水箱内噪声信号； 4）根据实验条件（水箱尺寸、声源谐振频率）设定发射信号中心频率、脉宽等参数，调节功率放大器，声源发射脉冲信号。通过示波器观察水听器接收信号; 5）读取直达接收信号脉冲峰的值，排除反射脉冲信号池壁反射波影响； 6）当对一个位置的数据测量完毕后，等间隔的逐次改变测量位置，观察信号变化情况，读取每个距离时的输出测量值，记录数据；
(完整版)第2章水声换能器
第2章 水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验 1.水听器 (1) 分类 根据其用途和校准的准确度 根据其使用材料 根据其用途和校准的准确度分为两级： A.一级标准水听器 建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。绝对法校准。 B.二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。比较法校准。 根据其使用材料可分为：a 、压电式：b 、动圈式（或电动式）c 、磁致伸缩式d 、光纤式 (2) 参数①水听器接收灵敏度 ②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范围 ①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度： 水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。 水听器声压灵敏度：水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。②水听器的指向性 · 指向性响应图 · 指向性指数 · 指向性因数 水听器的指向性图 表示水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。 指向性指数DI 和指向性因数R θ 对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。10lg DI R θ=
③水听器的电阻抗 在某频率下加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。 ④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。 水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。 水听器的等效噪声压级 （3）GB/T4128-1995 一、二级标准水听器声学性能指标 灵敏度 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率范围的压电型标准水听器（以下同）： 一级：不低于-205dB(0dB re 1v /μPa) 二级：不低于-210dB（0dB re1v/μPa） 自由场灵敏度频率响应 自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范围内，至少有三个十倍频程范围：一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。 二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。灵敏度校准及其准确度 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应优于±0.7dB。 低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于±1.5dB。 指向性 一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于300，在选定方向（或主轴）±50的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。 垂直指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于150，在选定方向（或主轴）±20的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。
功放的工作原理与作用
功放的工作原理与作用 功放的作用就是把来自音源或前级放大器的弱信号放大，以推动扬声器放声。一套良好的音响系统功放的作用功不可没。 功放作为各类音响器材中的大块头，它主要是将音源器材输入的较弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也不尽相同。 汽车功放电路图 汽车音响系统跟家用音响一样，使用功率放大器才能使整个系统完整。如果是刚接触汽车音响的人，对于在汽车中也安装功率放大器，甚至是安装多个功率放大器，可能会觉得不可思议。这个要从汽车自身来讲开，因为汽车的电源电压一般只有14.4V，功率(P)＝电压(U)x电流(I)，最多能达到4x55W。如果只用主机自身的功率放大器，只能推动功率小的扬声器，而且音量开大就会失真，声音听起来生硬，缺乏弹性。人耳听觉是有限度的，其下限比所能听到的音量上限还要少，这个可解释为何声音在一开始时感觉比较强烈，慢慢会觉得微弱下去。要让任何声音达到最逼真的状态，对于目前技术还无法解决。挡风玻璃，内装饰，发动机以及车底盘和轮胎在路面行驶时所发出的噪音，对聆听环境造成不可忽视的影响。只能加装功率放大器，才能解决低声压级和后级功率不足的缺陷，来重播音乐的全部信息。如果车用功率放大器内部使用逆变电源，将电源电压提高到40V左右，功率也会随之得到提高，这样便可推动大功率扬声器。由于储备功率加大，提高音量就不会产生失真，音质有力且富有弹性。尤其在推动大尺寸的低音扬声器时，低音区更加延伸，声音变得丰满，这样这个难题就能迎刃而解。
实际上功放是高保真地还原音频信号。我们来打个简单的比方，其实功放就好比复印机工作。为何要把这两个风马不相及的概念扯在一块，听我仔细一一道来。它们的实质作用都是复制某物，正如复印机可以把较小的纸张复印成较大的纸张。假如你去复印A4的纸张原件，那么你除了可以得到A4纸张的复印件，还可以得到A3或A1，甚至更大的纸张，新的复印件其实就是就是原件的放大版，这个你自己根据需要可以去控制调节。功放酷似复印机，复印件并非本源的原件。经过功放加工的信号就是原音频的还原加强版，音量比源音频输入要大。它改变的只是音频输入的音量，而音色并无改变。如果它的音色也改变了.那么它的波长及频率也相应有所改变。对于此话题本文将不做详细且有深度的阐述。这个比方通俗易懂，恰如其分。现在，我想大家对于功放应该有了大致的认识。总而言之.车载功放就是把输入端(主机、CD播放机等等)的音频输入还原放大，同时使它达到足够的强度，以至于能够带动喇叭工作。 功率放大器的工作原理就是靠电压来控制电流通道的大小来达到控制电流大小的目的。利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。而场效应管则是用栅极电压来控制源极与漏极的电流，其控制作用用跨导表示，即栅极变化一毫伏，源极电流变化一安，就称跨导为1，功率放大器就是利用这些作用来实现小信号控制大信号，从而使多级放大器实现了大功率的输出，并非真的将功率放大了！它们是转化的电源功率，而不是对能量的放大。以我们目前的技术我们还是要遵守能量守恒定律的。
水声实验
实验报告 课程名称水声学实验 实验项目名称 实验类型实验学时 班级20130532 学号03 姓名邓方舟指导教师 实验室名称实验时间 实验成绩预习部分 实验过程 表现 实验报告 部分 总成绩 教师签字日期 哈尔滨工程大学教务处制
实验名称：水声换能器声源级 传播指向性 传播损失的测量 实验内容：测量换能器的指向性和传播损失 实验原理： 描述一个水声换能器的自由场远场的指向性响应的特性参量有：指向性图、指向性因数和指向性指数等。 1．指向性图 （1）基本概念 发射换能器或其基阵的发射指向性图是表示它在自由场中辐射声波时，在其远场中声能的空间分布图像。通常用),(θ?D 表示归一化的指向性图函数，定义式如下： ) 0,0() ,(),(p p D θ?θ?= 其中：θ表示考察方向与极轴（通常为Z 轴）的夹角； ?表示考察方向在XOY 平面上的投影线与x 轴的夹角； ),(θ?p 表示各考察方向),(θ?上自由场声压的有效值； )0,0(p 表示声轴方向（或选定方向）上自由场远场电压的有效 值，通常)0,0(p 方向就选定为有效值声压为最大值的方向。 ),(θ?D 是个不大于1的正值，若取分贝表示，则),(lg 20θ?D 恒为 负分贝数。换能器的发射指向性图会随发射信号频率的改变而变化，就是说，同一换能器当发射不同频率的信号时，其辐射声能在空间分布是不同的。
对于一个水听器或基阵，它的接收指向性图是表示自由场远场传来的平面波入射到水听器接收面上的平均声压随入射方向变化的曲线图。或者说，它是水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图，其函数表示式可记作： ) 0,0() ,(/)0,0(/),(),(M M A F A F D θ?θ?θ?= = 其中：),(θ?F ，)0,0(F 分别表示任意方向和最大值方向入射的平面波在水听器接收面上所产生的作用力； A 为水听器接收面的有效面积； ),(θ?M ，)0,0(M 分别表示任意方向和最大值方向上的自由场电压 灵敏度。 可见，水听器的接收指向性图也就是它的相对灵敏度的曲线图，所以其),(θ?D 也小于1，即),(lg 20θ?D 也为负的分贝数。 指向性图函数，也有利用任意方向上的声强),(θ?I 与最大值方向（或声轴方向）声强)0,0(I 之比来定义的，以符号),(θ?b 表之，即： ),()0,0(/),()0,0(/),(),(222θ?θ?θ?θ?D P P I I b === 我们称),(θ?b 为声强指向性图函数，称),(θ?D 为声压指向性图函数，两者若用分贝表示时，其分贝值是相同的。 由上述可知，一个完整的指向性图应是一个三维空间图案，但使用时，通常都使用二维极坐标图来表示换能器的指向性。 对于声呐换能器或其基阵来讲，它们的指向性图的特性参量有：波束宽度和最大旁瓣级两个。所谓波束宽度就是指主瓣或主波束两侧的两个方向之间的夹角，此两方向上的声压级相对于轴向声压级下降
音频功率放大器的设计与实现
模拟电子电路实验课程设计 ——音频功率放大器的设计与实现 一、设计任务 设计并制作一个音频功率放大电路（电路形式不限），负载为扬声器，阻抗8 。要求直流稳压电源供电，多级电压、功率放大，所设计的电路满足以下基本指标： （1）频带宽度50Hz～20kHz，输出波形基本不失真； （2）电路输出功率大于8W； （3）输入阻抗：≥10kΩ； （4）放大倍数：≥40dB； （5）具有音调控制功能：低音100Hz处有±12dB的调节范围，高音10kHz 处有±12dB的调节范围； （6）所设计的电路具有一定的抗干扰能力； （7）具有合适频响宽度、保真度要好、动态特性好。 发挥部分： （1）增加电路输出短路保护功能； （2）尽量提高放大器效率； （3）尽量降低放大器电源电压； （4）采用交流220V，50Hz电源供电。 二、设计要求 正确理解有关要求，完成系统设计，具体要求如下： （1）画出电路原理图； （2）确定元器件及元件参数； （3）进行电路模拟仿真； （4）SCH文件生成与打印输出； （5）PCB文件生成与打印输出； （6）PCB版图制作与焊接； （7）电路调试及参数测量。 根据以上设计要求编写设计报告，写出设计的全过程，附上有关资料和图纸。设计报告格式请参见附录一。 三、实验原理 音频功率放大器是一种应用广泛、实用性强的电子音响设备，它主要应用于
对弱音频信号的放大以及音频信号的传输增强和处理。按其构成可分为前置放大级、音调控制级和功率放大级三部分，如图1所示。 v 图1 音频功率放大器的组成框图 1．前置放大级 音频功率放大器的作用是将声音源输入的信号进行放大，然后输出驱动扬声器。声音源的种类有多种，如传声器（话筒）、电唱机、录音机（放音磁头）、CD 唱机及线路传输等，这些声音源的输出信号的电压差别很大，从零点几毫伏到几百毫伏。一般功率放大器的输入灵敏度是一定的，这些不同的声音源信号如果直接输入到功率放大器中的话，对于输入过低的信号，功率放大器输出功率不足，不能充分发挥功放的作用；假如输入信号的幅值过大，功率放大器的输出信号将严重过载失真，这样将失去了音频放大的意义。所以一个实用的音频功率放大系统必须设置前置放大器，以便使放大器适应不同的输入信号，或放大，或衰减，或进行阻抗变换，使其与功率放大器的输入灵敏度相匹配。另外在各种声音源中，除了信号的幅度差别外，它们的频率特性有的也不同，如电唱机输出信号和磁带放音的输出信号频率特性曲线呈上翘形，即低音被衰减，高音被提升。对于这样的输入信号，在进行功率放大器之前，需要进行频率补偿，使其频率特性曲线恢复到接近平坦的状态，即加入频率均衡网络放大器。 对于话筒和线路输入信号，一般只需将输入信号进行放大和衰减，不需要进行频率均衡。前置放大器的主要功能一是使话筒的输出阻抗与前置放大器的输入阻抗相匹配；二是使前置放大器的输出电压幅度与功率放大器的输入灵敏度相匹配。由于话筒输出信号非常微弱，一般只有100μV~几毫伏，所以前置放大器输入级的噪声对整个放大器的信噪比影响很大。前置放大器的输入级首先采用低噪声电路，对于由晶体管组成的分立元件组成的前置放大器，首先要选择低噪声的晶体管，另外还要设置合适的静态工作点。由于场效应管的噪声系数一般比晶体管小，而且它几乎与静态工作点无关，在要求高输入阻抗的前置放大器的情况下，采用低噪声场效应管组成放大器是合理的选择。如果采用集成运算放大器构成前置放大器，一定要选择低噪声、低漂移的集成运算放大器。对于前置放大器的另外一要求是要有足够宽的频带，以保证音频信号进行不失真的放大。 常用的前置放大器按结构划分有五种类型： （1）单管前置放大器 （2）双管阻容耦合前置放大器
功率放大器的基本结构和工作原理
功率放大器的基本结构和工作原理 功率放大器的基本结构和工作原理 扩音机是一种对声音信号进行放大的电子设备，其基本结构如图5-1所示，常分为前置放大器(简称前级)和功率放大器(简称后级)两大部分。 前置放大器通常由输人选择与均衡放大电路、等响音量控制电路、音调控制电路等组成，而功率放大器常由功率放大电路和扬声器保护电路组成。 扩音机工作时，输人选择电路主要对收音调谐器、录音座、CD唱机和Av辅助输入等信号源的信号进行选择切换控制，得出所需的信号输入，输入后的信号经均衡放大电路进行频率特性的校正和放大，使输入信号的频率特性变得较为平坦，同时使各种信号源输入的信号电平基本趋于一致，避免在转换不同的信号源时，声音响度出现较大的变化，影响使用效果。均衡放大后的信号则由等响音量控制电路控制信号的强弱，从而调节音量的大小。等响控制的目的主要是在音量较小时提升高、低频信号成分，以补偿人耳听觉的不足，在低响度时得到较丰满的声音信号。而音调控制电路则主要是根据个人的喜好调节电路的频率特性，适当提升或衰减声音中的高、低频成分，以满足听音者的需求。经前置放大器放大处理后的信号被送人功率放大器进行功率放大，以推动扬声器重放出声音。扩音机中为了保护扬声器免受电路冲击电流的干扰，或在电路出现故障时烧毁扬声器，常在功率放大器中加入扬声器保护电路。 在高保真的音响设备中，扩音机常有两种组合结构形式，一种是把前置放大器和功率放大器组合在一起，称作合并式扩音机，这种形式把“前置”和“功放”合并在一起，这时由于小信号电压放大的前置级和大信号电流放大的功率放大在电性能上不能互相兼顾，因而不能使扩音机达到最佳的工作状态，特别是前、后级的电源馈电，电源变压器的电磁干扰，印制电路板的走线排列，共用地线的走向等方面总会存在一定的相互干扰，影响整机性能的提高。另一形式是在设计制造上把前置放大器和功率放大器彻底分开，分别使用独立电源，单独的机壳，使前、后级之间互不干扰，形成前、后级分体式的结构，在使用时再把它们用信号传输线连接起来，这种分体式结构的扩音机可获得极高的性能指标。