【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利涉及一种基于帕累托优化的大功率电声换能器宽带阻抗匹配设计方法。
技术介绍
1、因换能器本身负载功率因数低，且工作频带内阻抗参数与电声转换效率随频率呈非线性变化，因此需要在功率放大器与电声换能器之间级联阻抗匹配网络。宽带阻抗匹配网络的基本要求是在换能器工作频带内保证较高的负载功率因数，提高电声换能器工作带宽与功率放大器的电能利用率，利于电声换能器发射系统的小型化和轻量化。此外，良好的阻抗匹配网络还应适应实际要求，如降低阻抗匹配网络本身的功率密度，考虑舰船内部供电条件起到调压效果，弥补换能器本身在不同频率点处电声转换效率的差距，使发射电压响应及功放恒定输出电压条件下的声源级尽可能平坦。
2、本专利技术针对应用于大功率电声换能器的宽带阻抗匹配网络设计，建立了关于功率放大器输出功率因数、发射电压响应波动及阻抗匹配网络功率密度的综合评估数学模型，采用考虑约束的多目标差分进化算法，以标幺化处理的匹配网络参数为决策变量，以提高功放输出功率因数、减小换能器工作频带内的发射电压响应波动、减小阻抗匹配网络体积为优化目标，以功放输出与阻抗匹配网络各支路的电压电流上限作为约束条件。对不同阶数的t型和π型阻抗匹配网络分别优化得到帕累托前沿，再将所有帕累托前沿包含的个体按照三个目标函数进行非支配排序，输出最终的帕累托前沿，作为备选的阻抗匹配网络拓扑与参数方案供用户选择。该方法对于电声换能器的阻抗匹配网络的阶数、拓扑与参数优化设计具有重要意义。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本
2、本专利技术解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：
3、一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，包括如下步骤：
4、步骤一：设置优化目标：最大化工作频带内的最小功率因数、最小化功放恒定电压输出条件下的声源级波动、最小化阻抗匹配网络体积；
5、步骤二：将拓扑参数标幺值作为决策变量，采用多目标实数编码：为在解空间可行域中寻找指定阶数与类型的最优阻抗匹配网络拓扑与元件参数，每个决策变量需对应匹配网络中的一个元件，决策变量的正负分别对应电感和电容，其绝对值对应标幺化后的元件参数值，即标幺化后的感值或容值；
6、步骤三：指定阻抗匹配网络阶数，采用差分进化算法对标幺化后的阻抗匹配网络元件参数进行多目标优化，以功放输出端和阻抗匹配网络中每条支路的电压电流上限作为约束条件，运行差分进化算法得到阶t型和π型阻抗匹配网络的帕累托前沿；
7、步骤四：指定不同的阻抗匹配网络阶数，重复执行差分进化算法，得到不同阶数和类型的帕累托前沿，对所有帕累托前沿包含的个体进行非支配排序，输出最终的帕累托前沿供用户选择。
8、进一步的改进，所述步骤一包括以下步骤：
9、设阶阻抗匹配网络由条支路构成，每条支路为一个电感或一个电容；设换能器工作频带内，功放输出端最小功率因数为，换能器输出声源级恒定条件下功放输出电压有效值极差为，阻抗匹配网络体积为；求解个体的目标函数时，首先设换能器声源级在工作频带内的个频率点处均工作在额定电压下的平均声源级，反推功放输出电压有效值；计算在所有频率点处的平均值，取功放实际输出电压，计算实际声源级波动与各支路实际最大电压和电流；设置优化目标为：
10、
11、其中，为换能器工作频带内的第个频率点，为换能器输出声源级恒定条件下的功放输出电压有效值，为功放输出端功率因数，和分别为功放输出电压恒为条件下，第条支路在所有频率点处的最大电压有效值和最大电流有效值，为以元件参数值、最大电压、最大电流为输入，根据导入的电感电容数据库对电感和电容进行选型，并输出元件体积的函数。
12、进一步的改进，所述步骤二拓扑参数标幺值获得方法如下：
13、指定阻抗匹配网络允许的最大电感值和最大电容值分别作为电感值和电容值的基准值；则元件参数与决策变量间的关系表示为：
14、
15、其中，表示第个决策变量，和分别表示第条支路的电感或电容有名值，得。
16、进一步的改进，所述步骤三包括以下步骤：
17、设置约束条件：
18、，
19、其中，为功放允许输出电压最大有效值，分别为功放输出电流和各支路电流所允许的最大有效值；分别为第条支路在第个频率点处的电压和电流有效值；所述差分进化算法包括如下步骤：设当前进化代数为，每代种群中包含个体数为，设置最大进化代数为；对每代种群依次进行变异、交叉、选择三种操作；在每次变异交叉过程中，变异交叉算子在de/rand-to-best/1/bin与de/current-to-rand/1二者之间随机选择，得到包含个个体的试验向量；在每次选择过程中，对第代种群和试验向量中的所有个体进行两次排序：第一次依据帕累托支配关系对个个体分等级，在每个等级内部，根据拥挤距离将个体降序排序；第二次依据约束支配原则对个个体分等级，在每个等级内部，根据拥挤距离将个体降序排序；将两次排序的名次值加权求和得到最终名次，取前个作为新一代种群，加权值随进化代数变化，初始阶段帕累托排序占主导，随进化代数增大，约束支配排序占比越来越大；差分进化算法直至进化代数达到最大进化代数停止运算，输出最后一代种群的帕累托前沿。
20、进一步的改进，所述步骤四包括以下步骤：
21、根据优化目标的三个目标函数值，对不同阶数的t型和π型阻抗匹配网络优化得到的帕累托前沿进行非支配排序，输出最终的帕累托前沿供用户选择。
22、与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术提出的一种基于帕累托优化的大功率电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，首先建立了关于功率放大器输出功率因数、发射电压响应波动及阻抗匹配网络功率密度的综合评估数学模型，采用考虑约束的多目标差分进化算法，寻找阻抗匹配网络阶数、拓扑和元件参数的帕累托最优解，供用户选择，有效实现换能器的宽带阻抗匹配，同时使发射电压响应更加平坦，并减小阻抗匹配网络体积。
23、下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。
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1.一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，其特征在于，所述步骤二拓扑参数标幺值获得方法如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于帕累托优化的电声换能器宽带阻抗匹配设计方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐千鸣，王新宇，郭鹏，胡家瑜，席明湘，徐百龙，冯源，喻芳，张云嘉，伍文华，高兵，罗安，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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