1 引言.

利用聲波進行通信，在水聲領域中早已得到十分廣泛的應用，而在空氣中主要的通信手段還是電磁波。由于法拉第電磁屏蔽效應，電磁信號無法通過金屬障礙物，人們通常使用電線穿透障礙物以實現通信。但是穿透障礙物的方法會帶來很多問題：

首先，它破壞了環境的密封性，在一些特殊的應用場景，如壓力艙或存儲特定化學物質的密封艙等，會造成氣體、化學物質的泄漏或污染；其次，穿透障礙物破壞了其原有的物理結構，若該設備需要多次使用或式樣翻新時，將帶來昂貴的額外費用；再者，這一做法破壞了金屬物體的整體性和堅固性，大大降低了其使用壽命。因此，實現金屬的隔物通信是十分有必要的。采用超聲波可以將信號或能量以聲波的方式穿透金屬，從而在避免物理破壞的同時達到通信的目的。

本文首先介紹了金屬隔物通信的兩種方式--感應電能傳輸（InductivePowerTransfer）和聲學能量傳輸（AcousticEnergyTransfer），并對聲學傳輸的各種手段進行了比較。隨后介紹了聲學傳輸中的壓電聲透傳輸，包括系統模型的建立、參數的設計和應用，使用壓電聲透進行數據傳輸的研究，以及與壓電俘能相結合的研究情況。最后進行了文章總結。

2 金屬隔物通信.

金屬隔物通信是指將信號從金屬的一側傳輸到另一側，同時不破壞其物理結構的通信技術。目前實現金屬隔物通信的方法主要有兩種：采用電感耦合技術的感應電能傳輸和采用超聲技術的聲學能量傳輸。

感應電能傳輸是在障礙物一側的兩個點之間制造交變電流以激發磁場，從而達到穿透障礙物，同時避免物理和電路上的連接的目的。由于電場的趨膚效應，整個系統所能實現的傳輸效率非常低（20mm厚的不銹鋼兩側能量傳輸效率僅為4%），因此該傳輸只適用于薄層金屬或者是趨膚深度δ很小的情況.此外，在一些具有消磁設計的特殊應用裝置中，這種基于磁場傳輸能量和信號的方式也不可行。

當障礙物的厚度大于趨膚深度時，就需要采用聲學能量進行傳輸，這一方法的性能優于感應電能傳輸，且適用的信號帶寬較寬。按照使用的換能器不同，聲學傳輸又可以分成兩種：采用電磁聲學換能器的電磁聲傳輸（Electro-MagneticAcousticTransfer）和采用壓電換能器的壓電聲透傳輸（PiezoelectricTransfer）。

電磁聲傳輸是利用磁彈性和金屬障礙物表面的洛侖茲力來激發超聲波，從而達到傳輸信號和能量的效果.其采用的線圈可以不和金屬障礙物直接接觸，對于接觸面和耦合狀況的要求較寬松。在不允許傳輸設備與金屬障礙物接觸的情況下，具有其獨特的應用價值。然而這一方法產生的聲波也受到激發磁場的方向和線圈類型的影響，傳輸效率很低且不適用于能量的傳輸。

壓電聲透傳輸主要包括壓電俘能和聲透通信。

聲透通信以超聲為載體采用數字通信技術完成數據傳輸。壓電俘能即從環境中提取或回收能量來為微電子器件供能，它可以為聲透通信系統提供能量。壓電聲透通信在數據傳輸速率方面明顯優于以上兩種方法，并且也適用于能量傳輸。在對數據傳輸速率有一定要求和一些需要避免頻繁更換電池的密閉容器的應用中，這一方法具有很大的優勢。

3 壓電聲透傳輸.

1997年，Connor首次提出了利用安裝在船殼兩側的壓電換能器將連續聲波信號從金屬障礙物的一側傳到對側的聲透傳輸設想。一種典型的二維壓電聲透系統采用如圖1所示的“三明治結構”,它由兩個正對的壓電換能器和中間夾層（金屬障礙物，通常為平板或者有弧度的殼體）構成。激勵換能器在外電場的作用下產生超聲波，穿過金屬障礙物，由接收換能器接收并轉換成電信號，從而實現能量或信息的傳遞。



3.1 模型設計和參數計算.

我國華中科技大學、中南大學和美國Nebraska大學、California大學，在數學和物理方面進行了壓電聲透系統的建模和分析研究。2003年，Hu等人采用雙層壓電板來模擬發射和接收聲波用的壓電換能器，可以將聲波從平板的上方傳送到下方并帶動負載ZL（如圖2所示）。他們建立了壓電聲透系統的動力學模型，通過聲波方程和線性壓電介質的基本方程，分析了厚度方向的振動，并指出換能器間的電能傳輸關系：系統的輸出電壓在前兩階共振頻率處會達到峰值，但最大放大倍數并未發生在基頻處。文章中模擬的系統，最大放大倍數在二階共振頻率處，若參數改變，最大放大倍數還可能出現在更高階的共振頻率處。系統能量傳輸的效率在驅動頻率處達到峰值，但驅動頻率并不完全等于系統的共振頻率。圖2所示的模型需要滿足多個約束條件，如兩介質界面的邊界條件是聲壓連續且速度連續，界面需光滑且無摩擦力，因此在實際應用中具有局限性。為此，Sherrit等人考慮了其它聲學參數和電路連接的影響，提出了“無線聲電直通”（WirelessAcoustic-ElectricFeed-throughs,WAEF）技術。文獻[5]中建立了網絡等效電路模型，可用于在中心頻率及更高階共振頻率處的能量和數據傳輸的仿真計算，并指出高Q值的壓電換能器可以提高傳輸效率。2006年，該團隊指出適用傳統的低熔點焊料在WAEF中并不能達到很好的耦合和能量傳輸效果,因此重點研究了換能器與鋼板之間三種不同連接方式的性能：（1）背面壓力鉗定方式（如圖3所示）；（2）橫跨障礙物的夾具固定和油脂耦合方式（如圖4所示）；（3）導電性環氧樹脂耦合粘連方式（如圖5所示）。經過測試，能量傳輸效率依次為12%,53%和40%.





2007年，Yang對壓電傳輸的結構學建模方面的研究進展做了詳盡的綜述和理論分析。2008年，Bao等人采用等效電路模型法和有限元法建模方法對大功率壓電聲透系統進行了仿真和參數取值分析。2010年，Wilt用有限元方法研究了影響超聲通道能量傳輸效率的各種構造設計方面的原因，包括：（1）換能器和鋼板間直接的耦合因素；（2）換能器和鋼板的共振模式；（3）換能器尺寸；（4）障礙物的組成和尺寸。

3.2 壓電聲透通信.

1999年，Welle利用聲透鏡換能器的特性將聲能進行聚焦，并采用此結構實現了數據的雙端通信。2000年，為了將志愿者觀察系統計劃（volunteerobservingship）中采集到的氣象和海洋數據透過船體進行傳輸，Hobart提出一種名為“HullCom”的聲學調制單元，采用壓電換能器和頻移鍵控方法進行調制，但傳輸速率僅能達到20baud/s.2003年，Payton的專利中采用兩對工作在MHz頻段的壓電換能器分別實現了雙端通信.2010年，哈爾濱工程大學曾武采用2FSK調制，在20mm厚的不銹鋼板兩側達到了1kbps的傳輸速率。但該研究主要集中在硬件電路的設計上，均衡算法方面并未做特殊處理。需要指出的是，傳輸速率和所選用的換能器的中心頻率及帶寬有關，并不能單純從其數值大小來判斷算法的優劣。國外學者們研究了影響傳輸速率的各個因素，并做了一系列的優化。

回波的存在是阻礙壓電聲透通信系統性能提升的一大重要因素，因此早期的研究中，數據傳輸速率都很低。2006年，美國RPI的Murphy研究了各種不同的壓電換能器的幾何形狀以及對應的數字通信方法的性能和回波傳輸情況，并討論了系統復雜度集中在發射端一側的系統的優化方法。文獻[14]實現了三種結構：（1）單方向進行能量和信號傳輸的“單反射結構”,將burst數字信號通過DBPSK調制，傳輸速率可達到500bps;（2）由一個通道自發自收的“雙反射結構”,用脈沖載波和PAM調制方式，通信速率可達到500bps;用連續波載波和DBPSK/OOK調制，結合LMS自適應干擾抑制方法，在鋼板（148.5mm厚）兩側可以達到5kbps傳輸速率；（3）采用不同的聲學阻抗脈沖載波調制數字信號的“反射能量結構”（又稱“混合單反射結構”），用反射的連續脈沖技術，速率可達到300bps.隨后，該團隊的Saulnier等人進一步討論了后兩種系統并綜合二者的優勢提出了一種新的“混合”系統。文獻[15]研究了脈沖調制和連續波調制，在152.4mm厚的鋼板中傳輸速率可提高至500bps.2007年，美國Drexel大學的Primerano等人針對壓電聲透系統中嚴重的回聲問題以及傳輸速率高于100kbps時產生的顯著的碼間干擾問題，提出了采用一些預矯正濾波器和回聲抵消的算法，理論上在6.35mm厚的鋼板兩側將傳輸速率從50kbps提高至1Mbps,但這種方法局限于較簡單的通道模型。2009年，該團隊使用系統辨識算法進行了改進，提出了一種更加準確的通道模型，使用IIR濾波器實現去混疊預濾波器，在原有系統上采用PAM編碼就能達到5Mbps的傳輸速率（提高了5倍）.2010年，Primerano詳細研究了各種數字通信算法和通道均衡技術。作者提出，采用OFDM技術，可以獲得30Mbps的傳輸速率。

回波的存在，不僅限制了傳輸速率，還限制了帶寬。2011年，Bagshaw在他的專利“Apparatusandmethodfordatatransferthroughasubstrate”中，提出了針對寬帶數字信號的壓電聲透傳輸方式，將信號調制到連續波載波上，可達到1MHz的傳輸速率。作者提出，采用40MHz左右的載波可把傳輸速率提高到15~18MHz.

2011年，Hosman研究了大型船的角鐵之間的壓電聲透通信（如圖6所示，在角鐵長度方向依次安裝了4對換能器對）。采用頻移鍵控和均衡算法可在較低功率驅動下獲得高信噪比的接收信號，目前實現的寬帶信號（260~330kHz）傳輸速率可達到360bps.碼間干擾仍是妨礙傳輸速率的一大因素。此外，作者還發現該設備可以實現在相鄰角鐵之間的通信。



3.3 壓電聲透通信中的能量傳輸.

信息的傳遞是伴隨著能量的傳輸而進行的。若傳遞的能量太過微弱，接收端接收的信號就無法傳遞足夠的信息。當壓電俘能裝置等能量傳輸效率達到一定程度可以滿足通信要求時，通信系統的研究重點在于如何優化系統和提升傳輸速率。在信息的傳輸過程中，在接收端的富余能量可為其供能，從而使接收端無需電源供電，在傳輸數據的同時也實現能量的傳遞，并可以把系統的復雜度集中到同一側（如發射端）。能量傳輸的進展介紹如下：

2007年，Shoudy等人在Murphy研究的基礎上，改進并提出了一種加強的“反射能量”模型，實現了在57mm厚的鋼板兩側可以達到55kbps的數據傳輸速率，同時獲得0.25W的能量。2011年，Lawry等人提出了一種通過超聲同時傳輸高能量和高速數據的系統（如圖7所示），在63.5mm厚的鋼板兩側分別使用了兩對換能器形成獨立的數據和能量通道，為提高頻帶利用率并降低通道間的影響，采用了一種同步多載波通信策略（OFDM），該系統能實現12.4Mbps的數據傳輸速率及功率為50W的能量傳遞（效率為50%）。



2008年，Kluge等人實現了7mm厚的鋁質金屬罩內外的信號和能量傳輸（如圖8所示），系統在半雙向雙端方式下的數據通信傳輸速率可達到1kbps且能傳遞30mW功率的能量。

2010年，Moss等人在設計的壓電聲透系統中將換能器安裝在永磁體上，并可從鐵磁體上拆下，這種獨特的固定方式更加方便換能器的裝卸。



此系統可達到115kbps的傳輸速率并同時傳輸340mW能量（效率為34%）。

最后，將壓電聲透通信方面代表性的系統研究參數歸納如表1和表2所示。4總結采用壓電聲透傳輸，可以在金屬障礙物兩側實現非穿透性的隔物通信。本文對該領域做了綜述，介紹了數學物理和電路模型的設計，并對數據傳輸以及帶能量的數據傳輸的發展進行了分析。影響壓電聲透通信傳輸速率的主要因素為：通道的衰減作用，邊界多次發射造成的回波以及高速傳輸時的碼間干擾。