Page 113 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 徐统等： 基于兰姆波的平板频分复用数据传输系统研究 1289

明，根据所构建的模型，取汉宁窗的窗宽为0.84 ms。 步骤 3 根据压电片扫频曲线对信号频率幅度
当传输信息为 “11”，两个子载波的中心频率都会被 信息进行补偿，得到补偿后的频率幅度信息；
激发，通过式 (9) 得到信号波形，该信号的时域图及 步骤 4 对补偿后的频率幅度信息进行幅度阈
频域图如图5所示。 值和信号能量阈值判断，解调出所传输的数据。
解调过程中，信号频率上幅度阈值和信号能量
1.0
阈值的判决公式为式(10)和式(11)：
0.5 y fd = sign(x i − θ f ), i = 1, 2, · · · , N, (10)
ॆʷӑࣨϙ/V 0 y nl = sign ( ∑ x i − θ n ) , i = 1, 2, · · · , N, (11)
N

-0.5
i=1
式中，N 为所截取的子载波频段间的信号点数，θ f
-1.0
0 0.02 0.04 0.06 0.08 是信号频谱上的幅度阈值，θ n 是信号频谱上的能量
௑ᫎ/ms
阈值指标，y fd 是信号频谱上幅度阈值的判决结果，
(a) ༏ҵηՂ௑۫ڏ
y nl 是信号频谱上能量阈值的判决结果。
0.25
当信号子载波频段间的频谱幅值大于等于所
0.20
ࣨए (arb. units) 0.15 所取信号子载波频段间的能量阈值大于等于所设
设的幅度阈值时，认为所传输的数据为数据位1，且

的能量阈值指标时，认为所传输的数据为数据位 1；
0.10
0.05 反之则认为所传数据为数据位0。
0 1.4 实验设置
100 150 200 250 300 350
ᮠဋ/kHz 兰姆波频分复用声通信实验所用到的设备为
(b) ༏ҵηՂᮠ۫ڏ
泰克 AFG3021B任意波形发生器、圆形压电陶瓷压
图 5 兰姆波频分复用激励信号时域和频域图 电片、泰克 DPO4034示波器和方形钢板。圆形压电
Fig. 5 Time and frequency domain plots of the 陶瓷压电片直径为 10 mm，厚度为 1 mm，材质为
Lamb wave frequency division multiplexing exci- PZT-5。钢板尺寸为 1500 mm×1500 mm，厚度为
tation signal
1.8 mm，材料为Q235型钢，杨氏模量E = 210 GPa，
3
1.3.2 解调 泊松比 ν = 0.3，密度 ρ = 7890 kg/m 。实验装置实
在兰姆波频分复用数据传输系统中，信息在频 物图如图6所示。
域进行传输，因此接收端节点在接收到信号后，需对
接收信号进行傅里叶变换得到信号频谱，通过判断
特定信号频域区域内的频率是否超过解调所设置
的阈值，从而解调出传感器所传输的数据。获取信
号频域信息的常用方法是傅里叶变换，傅氏变换计
图 6 实验装置实物图
算了信号在不同频率下的幅度信息和相位信息。在
Fig. 6 Physical diagram of the test setup
实际应用中，不考虑信号的相频信息时，可以考虑使
用更快的解调方法，如采用格兹尔算法，仅计算频谱 2 实验结果讨论
中的几个离散点，提高接收信号的解调效率。频分
复用解调过程包括以下几个步骤： 2.1 平板中兰姆波频分复用激励信号模型
步骤 1 从接收到的兰姆波信号中提取出兰姆 平板中兰姆波频分复用激励信号根据上述模
波直达波波包； 型进行构建，以所搭建的实验平台为例进行分析。
步骤 2 使用格兹尔算法对接收到的信号进行 平板材料参数所用 Q235 型钢的材料参数，压电片
计算，得到所设频带范围内的频率幅度信息； 扫频曲线通过实验获得 (如图 4 所示)，为分析板长