水聲工程專業(yè)電子技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐課程教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

朱建軍 周天 楊友福 于曉陽 張淑娟

摘? 要：前沿科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)一線轉(zhuǎn)化是增加實(shí)驗(yàn)課程高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的重要方式，也是全面提升新時(shí)代大學(xué)生科研素養(yǎng)、創(chuàng)新潛質(zhì)和解決科學(xué)問題能力的重要途徑。該文以電子技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為例，以工程實(shí)際問題為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)“水聲發(fā)射機(jī)”綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，從科研項(xiàng)目背景、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等方面介紹該課程如何結(jié)合基礎(chǔ)知識融入最新科研成果，并全面進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐的科教融合過程。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，學(xué)生更加深入地理解和掌握聲吶發(fā)射機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)思想，對學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)研究能力的培養(yǎng)具有顯著促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：水聲工程；電子技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；科教融合；創(chuàng)新思維

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0059-04

Abstract： The transformation of cutting-edge scientific research results into experimental teaching is a crucial approach to enhance the sophistication， creativity， and challenges of experimental courses. It is also a vital method to comprehensively improve the scientific research literacy， innovation potential， and problem-solving abilities of contemporary university students. This article takes the experimental teaching project of the electronic technology innovation practice course as an example， using practical engineering issues as the starting point. It designs a comprehensive experimental teaching project called the Underwater Acoustic Transmitter， integrating the latest research findings into fundamental knowledge. The article elaborates on the integration process of teaching and scientific research， covering aspects such as research project background， experimental design， and analysis of experimental results. Throughout the implementation of the experiment， students gain a deeper understanding and mastery of the principles and design concepts behind sonar transmitters， significantly promoting the cultivation of students' innovative thinking and scientific research abilities.

Keywords： underwater acoustics engineering; electronic technique; experimental teaching; integration of teaching and scientific research; innovative thinking

教育部于2019年10月份印發(fā)了《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》，明確指出高校課堂應(yīng)滿足“兩性一度”的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。前沿科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)一線轉(zhuǎn)化是增加實(shí)驗(yàn)課程高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的重要方式，也是全面提升新時(shí)代大學(xué)生科研素養(yǎng)、創(chuàng)新潛質(zhì)和解決科學(xué)問題能力的重要途徑[1-4]。以科技前沿問題為牽引，實(shí)際科研項(xiàng)目為依托，圍繞課程知識點(diǎn)設(shè)計(jì)出適合本科生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是拓寬學(xué)生視野、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、加深基礎(chǔ)理論知識理解、培養(yǎng)系統(tǒng)思維和工程設(shè)計(jì)思想的有效舉措[5-9]。電子技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐課程是水聲工程專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課，課程中涉及知識點(diǎn)多，單一理論授課難以使學(xué)生對各知識點(diǎn)融會(huì)貫通，也不易建立電子技術(shù)基礎(chǔ)知識與水聲專業(yè)間的聯(lián)系，不利于創(chuàng)新性卓越人才的培養(yǎng)。本文以科研項(xiàng)目主動(dòng)聲吶系統(tǒng)中的低頻水聲發(fā)射機(jī)為原型，結(jié)合課程知識點(diǎn)，設(shè)計(jì)“水聲發(fā)射機(jī)”這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生、功率放大與調(diào)節(jié)、阻抗匹配等功能，通過功能電路設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)測試，建立電子技術(shù)基礎(chǔ)知識與水聲工程科研項(xiàng)目實(shí)際間的聯(lián)系，在將分散知識點(diǎn)間建立聯(lián)系的同時(shí)與科研項(xiàng)目相結(jié)合。加深基礎(chǔ)知識理解的同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，全面提升新時(shí)代大學(xué)生的科研素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新潛質(zhì)和解決科學(xué)問題的能力。

一? 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目背景及意義

水聲發(fā)射機(jī)是主動(dòng)聲吶系統(tǒng)的核心組成部分之一，其良好的多功能性和穩(wěn)定性直接關(guān)系著主動(dòng)聲吶高系統(tǒng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和良好性能的發(fā)揮[10]。水聲發(fā)射機(jī)探測信號低失真度發(fā)射和輸出增益的大動(dòng)態(tài)范圍調(diào)節(jié)能力，可有力支撐新型主動(dòng)聲吶的研制，有效解決仿生探測、水下目標(biāo)輻射動(dòng)態(tài)模擬等前沿需求問題，在水下探測、目標(biāo)模擬、水聲計(jì)量測試等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[11-13]。振蕩器技術(shù)和功率放大器技術(shù)是電子技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐課程的核心授課內(nèi)容，而科研項(xiàng)目中水聲發(fā)射機(jī)低失真度信號發(fā)射和可調(diào)輸出增益功能的實(shí)現(xiàn)，源于振蕩器技術(shù)和功率電子線路技術(shù)的支撐。以科研項(xiàng)目中的水聲發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)為題材，設(shè)計(jì)水聲工程專業(yè)電子技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將優(yōu)質(zhì)科研資源轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)從科教并重向科教融合的轉(zhuǎn)變。

二? 水聲發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)原理

（一）? 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

水聲發(fā)射機(jī)主要由信號產(chǎn)生電路、功率放大電路、電源模塊（采用直流穩(wěn)壓電源）、匹配濾波電路和換能器（等效負(fù)載）組成，系統(tǒng)構(gòu)成框如圖1所示。功率放大電路將發(fā)射信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)后級工作；電源模塊為發(fā)射系統(tǒng)提供各類電源；匹配濾波電路改善負(fù)載阻抗特性，使換能器獲得最大輸出功率；水聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為聲能輻射聲波。

（二）? 信號產(chǎn)生電路

根據(jù)應(yīng)用目的和應(yīng)用場景不同，水聲信號包括正弦、線性調(diào)頻、編碼等多種形式，可為連續(xù)正弦信號，也可為脈沖信號[14]。本實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同形式的信號波形，下面以連續(xù)正弦波水聲信號為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

常用的正弦信號產(chǎn)生電路依據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)選用器件不同可分為RC振蕩電路、LC振蕩電路和石英晶體振蕩電路。RC振蕩電路產(chǎn)生的正弦信號頻率較低（通常低于1 MHz），而LC振蕩電路和石英晶體振蕩電路常用于產(chǎn)生高頻信號（通常1 MHz以上）[15]。由于水聲工程中發(fā)射信號頻率大多低于1 MHz，本實(shí)驗(yàn)采用文式橋RC振蕩電路產(chǎn)生低頻水聲信號，發(fā)射信號產(chǎn)生電路原理圖如圖2所示。

電路中R1、C1、R2和C2構(gòu)成正反饋兼選頻網(wǎng)絡(luò)（串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)），元件參數(shù)決定信號輸出頻率，電阻R3、R4接放大器反相輸入端構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信號放大和穩(wěn)幅，R3、R4 的選取關(guān)系著電路能否起振與輸出信號幅值的平衡。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)常加入非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅電路）穩(wěn)定輸出信號幅度，可選用R4為正溫度系數(shù)熱敏電阻或選用R3為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的方式實(shí)現(xiàn)這一功能。本實(shí)驗(yàn)引入滑動(dòng)變阻器Rp并將R3與兩個(gè)方向顛倒的二極管并聯(lián)，利用二極管動(dòng)態(tài)電阻隨電流變化特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅電路功能，詳如圖2所示。Rp可改變負(fù)反饋深度，調(diào)整信號輸出幅度，并更好地滿足振蕩的振幅條件和改善波形。

（三）? 功率放大電路

功率放大電路是向負(fù)載換能器提供功率信號的核心電路。傳統(tǒng)水聲發(fā)射機(jī)中功率放大電路多為AB類或D類功率放大電路。AB類功放線性度高，能量轉(zhuǎn)化效率介于A類和D類功放之間，可采用分立晶體管外加相關(guān)元件搭建，也可采用集成功放芯片實(shí)現(xiàn)功率放大功能，且具有實(shí)現(xiàn)簡單、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

與上文提到的正弦信號形式相匹配，設(shè)計(jì)的功率放大器采用集成功放芯片LM386。LM386具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)。芯片引腳定義及內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)詳見芯片手冊，典型電路如圖3所示。C4為輸入端耦合電容、C5為旁路電容、C9為電源去耦電容，輸出端接電容C3起隔直和耦合作用；R5和C6構(gòu)成相位補(bǔ)償電路，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)負(fù)載RL1典型取值為8 Ω。通過LM386引腳1、8設(shè)置電容C7和滑動(dòng)變阻器Rp3串聯(lián)電路，可改變電壓增益，理論調(diào)整范圍為26～46 dB之間。

（四）? 匹配濾波電路

水聲發(fā)射機(jī)的負(fù)載多為壓電式水聲換能器，通常為容性負(fù)載，可等效為電容和電阻的并聯(lián)電路[16]。為了保證高效地將功放電路輸出的電功率傳輸至換能器，通常需由匹配濾波電路進(jìn)行負(fù)載匹配來實(shí)現(xiàn)，該電路可起到調(diào)諧匹配、阻抗匹配、濾波等作用。

圖3? 功率放大電路圖

采用外加電抗性元件調(diào)節(jié)水聲換能器的輸入電抗，使換能器等效阻抗輸入相角趨近于零，以減少功率傳輸中的無功損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。實(shí)際應(yīng)用中，通常在換能器兩端并聯(lián)、串聯(lián)或同時(shí)使用串并聯(lián)電感元件來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧匹配。在串聯(lián)電感元件的調(diào)諧匹配電路中，假設(shè)換能器在工作頻點(diǎn)上的等效電阻和等效電容分別為RL=1 kΩ和CL=2 nF。

加入串聯(lián)調(diào)諧匹配電感L之后，負(fù)載等效阻抗變?yōu)?/p>

ZL=jωL+ 。（1）

令等號右邊的虛部為0，此時(shí)，回路達(dá)到諧振，輸出有功功率最大。所以，當(dāng)回路諧振時(shí)，匹配電感值應(yīng)為

L=。 （2）

此時(shí)，等效電阻變?yōu)?/p>

R= 。（3）

負(fù)載串聯(lián)電感的調(diào)諧匹配電路如圖4所示。

圖4? 匹配電路

最后，采用變壓器改變換能器的有功電阻，使其與功放的輸出電阻接近或相等，以達(dá)到最佳功率傳輸匹配，使換能器獲得最大輸出功率。假設(shè)調(diào)諧匹配后負(fù)載經(jīng)變壓器初級看進(jìn)去的等效電阻為R，變壓器次級和初級的匝數(shù)比為N，那么由阻抗變換關(guān)系可以得

N= 。? （4）

N值確定了不同的阻抗變換關(guān)系，決定了功放輸出功率大小以及換能器負(fù)載獲得的驅(qū)動(dòng)電壓強(qiáng)度。

三? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及教學(xué)成效

（一）? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

焊接調(diào)試整體實(shí)驗(yàn)電路板及測試過程波形如圖5（a）所示，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了32.68 kHz無失真正弦波信號的產(chǎn)生（圖5（b））和約12 dB電壓增益動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)節(jié)（實(shí)測27.1～45.5 dB，如圖5（c）所示）。

同時(shí)，對系統(tǒng)通頻帶進(jìn)行了測試，測試數(shù)據(jù)見表1，分析得出本文設(shè)計(jì)水聲發(fā)射機(jī)系統(tǒng)帶寬約為109.3 kHz。

調(diào)整Rp1使信源輸出信號幅度為0.12 V，計(jì)算整機(jī)電壓增益約為56 dB；負(fù)載阻抗按996 Ω計(jì)算，得輸出功率為2.8W；實(shí)測電源輸出功率5.4 W，調(diào)試電路的工作效率為51.9%。通過上述電路設(shè)計(jì)與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了水聲發(fā)射機(jī)穩(wěn)定頻率信號發(fā)射以及輸出動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)等預(yù)期功能。

（二）? 教學(xué)成效

通過該實(shí)驗(yàn)課程的仿真設(shè)計(jì)和動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)生深入理解了振蕩器和功率放大器電路的工作原理，根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)要求，通過仿真設(shè)計(jì)不同參數(shù)的電路形式。掌握了相關(guān)電子技術(shù)的調(diào)試手段，通過配合主動(dòng)聲吶系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行系統(tǒng)測試，學(xué)生初步建立了基本的系統(tǒng)調(diào)試思維以及工程設(shè)計(jì)思想，提高了處理實(shí)際工程問題的能力。通過課程學(xué)習(xí)，其中3名本科學(xué)生作為核心參研人員參與了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“國家質(zhì)量基礎(chǔ)（NQI）的共性技術(shù)研究與應(yīng)用”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了輸出動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)的目標(biāo)模擬聲信標(biāo)發(fā)射機(jī)，支撐解決了小尺度水池中大定位距離量值的計(jì)量測試問題；另外，低失真信號發(fā)射技術(shù)也被應(yīng)用于某仿生聲吶的設(shè)計(jì)與研制中，解決了非人造信號的高保真發(fā)射問題。通過引入主動(dòng)聲納設(shè)計(jì)方面的最新科研成果，開闊學(xué)生的專業(yè)視野，為學(xué)生闡述課程所學(xué)知識點(diǎn)與科技前沿之間的邏輯關(guān)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，鼓勵(lì)學(xué)生掌握扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，將價(jià)值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)緊密融合，培養(yǎng)卓越科學(xué)技術(shù)人才。

四? 結(jié)束語

在水聲工程人才培養(yǎng)過程中，將前沿科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)一線轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生接觸并思考前沿?zé)狳c(diǎn)問題，同時(shí)與課程理論內(nèi)容相結(jié)合，設(shè)計(jì)出具有一定高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是豐富實(shí)驗(yàn)課程體系的重要舉措，也是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵所在，有助于形成教學(xué)與科研良性互動(dòng)機(jī)制，促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量提升。本文以電子技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為例，依托科研項(xiàng)目成果，設(shè)計(jì)水聲發(fā)射機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施過程中，科研創(chuàng)新意識、工程設(shè)計(jì)思想一直在潛移默化地影響著學(xué)生，促使學(xué)生將相關(guān)專業(yè)知識融會(huì)貫通，將理論付諸于實(shí)踐，對學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)研究能力的培養(yǎng)具有顯著促進(jìn)作用。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“海底掩埋管道有限聲束精細(xì)探測機(jī)理研究”（42176188）；黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘互聯(lián)網(wǎng)+視域下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革探索研究”（SJGY20220085）；黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃2023年度重點(diǎn)課題研究成果“課程思政在國防特色專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與實(shí)踐”（GJB1423065）

第一作者簡介：朱建軍（1981-），男，漢族，河北樂亭人，博士，副教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槁暭{系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試技術(shù)。

*通信作者：楊友福（1982-），男，漢族，黑龍江方正人，博士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)樗暅y試技術(shù)。