基于参量阵的声波定向发射系统的设计与实现

朱国军，鲁五一，戴俨炯，郭晓科，蒋雄

（1．长沙航空职业技术学院，湖南长沙410124;2．中南大学，湖南长沙 410075）

基于参量阵的声波定向发射系统的设计与实现

朱国军1，鲁五一2，戴俨炯1，郭晓科1，蒋雄1

（1．长沙航空职业技术学院，湖南长沙410124;2．中南大学，湖南长沙 410075）

通过对声学参量阵及非线性声学的研究，设计出具有良好定向性的声波发射系统，并通过实验的方式对定向性能、参量阵参数进行验证和分析。

声学参量阵;定向发射;设计

上世纪六十年代，韦斯特维尔特（Westervelt）提出了声学参量阵理论，声学与非线性声学研究获得巨大突破。声学参量阵是利用声波在介质中传播的非线性特性，使用两个沿同一方向传播的高频初始波，获得差频、和频等声波的声发射装置，运用参量阵的方式，使得低频声波也可以形成传播的尖锐指向性。［1］由于声吸收系数与频率的平方成正比，在声波的传播过程中，频率较高的超声及和频信号衰减很快，经过一段距离后，仅剩下频率较低的差频信号。［2－3］该差频波具有良好的指向性和穿透性，应用领域非常广，可以广泛应用于民用和军用声纳建造、鱼群探测、隐蔽水雷探测、海底环境监测、水下通信、群体性事件处置、商业宣传等领域。

1 理论基础

调幅波发射到空气中，在空气的非线性作用下，超声波载波和上下边频波在空气中自解调，出现与调制信号相同的声波。即已调声波能被空气解调。［4］Westervelt首先分析这种现象，［5］并基于Lighthill的流体动力学方程

求解此方程可得到非线性相互作用后产生的二次波的声压，可表示为：

r是观测点位置向量，r＇是声源位置向量，v是非线性作用空间。

为简化分析起见，用g（t）=sinωt表示单频声信号，g（t）调制超声波并由超声换能器发射，距轴向x远处的调制波声压p1可用下式给出：

p0是超声声压，ω0是超声波频率，m是调制深度，α是载波的吸收系数，c0是声速。

因为声波在空气中的非线性作用，在主声束里产生单频可听声g（t）的声信号源。声源方程如下：

上式右边第二部分为二次谐波成分，即失真，由于当调制深度m较小时，其失真也相对较小，不考虑二次谐波，那么空气非线性作用解调后二次波的声压ps在换能器轴向r处可用（3）式和（5）式得到，即：

2 基于参量阵的声波定向发射系统的设计

基于参量阵的声波定向发射系统由发射模块和接收测试模块组成，如图1所示。声学参量阵发射模块，是用来产生一定频率的载波和调制信号，由正弦信号发生器产生所需频率的信号，通过调制电路，对音频信号进行双边带调制，调制后的信号经功率放大器进行放大后，由换能器发射出去。接收设备选用的是基于Lexicon Pro Lambda专业声卡音频卡的测试系统，并通过Cool Edit Pro软件完成信号的采集与频域分析。

图1 系统整体框架

声学参量阵发射模块分为：电源、调制电路、超声波换能器、音频输入电路、功放电路。

2．1 超声波换能器的设计

本系统选用TCRT16－40K超声波换能器作为参量阵阵元。由于单个换能器的输出功率十分有限，常常不能满足指向性、发射声功率、接收灵敏度以及信息处理等多方面要求，所以通常采用换能器阵列来提高参量阵的性能，在发射时尽可能的将声能集中到某一指定方向上，形成尖锐的指向性，并能够较大的提高发射功率。通过比较各种阵列的优缺点，本系统采用正六边形阵，发射阵由91个圆形的电陶瓷换能器组成，并将91个阵元分为同轴的两组，在发射过程中，既可以分别发射两个高频信号，也可以将两路并联发射经过信号处理的调制信号，具体见图2。

图2 阵元分布PCB板图

2．2 调制电路的设计

本实验系统采用的调制方式为双边带调幅（DSB），1965年，Berktay提出了关于参量阵更精确的解释，他使用了调制中包络的概念。本实验系统利用F1496乘法器调制，来实现双边带调幅，如图3所示。

图3 1496构成的DSB调幅器

2．3 接收测试模块

接收设备选用的是基于Lexicon Pro Lambda专业声卡音频卡的测试系统，并通过Cool Edit Pro软件完成信号的采集与频域分析。

3 定向发射系统测试与分析

3．1 自解调及指向性测试

测试目的：非线性解调测试，测试系统发射的调制波是否能自解调出音频信号;指向性测试，并绘制出系统的指向性范围。

待测信号：选择由40KHz载波与3KHz调制信号，进行调幅得到调幅波。

测试点选择：以换能器阵列指向为中心轴，在中心轴上距离换能器阵列1m、2 m、3 m、5m、10m、15m、20m、30m、40m处选取9个测试点，并在垂直中轴左右俩侧各1m、2m、3m、4m处选取测试点，共81个测试点。

3．2 测试数据及分析

利用Lambda Studio在不同的测试点完成数据采集，将采集的数据利用Cool Edit Pro进行分析。图4和图5分别为中心距5m和5m右侧1m的原始数据。

图4 中心距5m的测试

图5 中心距5m右侧1m的测试

对于测试中的误差，通过数据处理的方式进行滤波，只取3KHz测试信号。如图6所示，右侧出现明显的干扰信号，可通过后期滤波处理，从而得到需要的信号。

图6 采集信号中的干扰

将所有经过滤波处理的信号，采用傅里叶变换（FFT）的方式进行处理，采样频率65536Hz，采样波形为三角波。将信号进行频域分析，并得到各测试点的声强。图7为测试点yc10－1的频谱分析图，3KHz有明显自解调音频信号。

图7 yc10－1m频谱图

测试各点的3KHz的信号声强，结果如表1所示。

表1 部分左右侧声强参数表

以各距离中轴作为声强参考点，根据测试的3KHz测试信号的声强级数绘制出下图9，图8是根据理论数值绘制的声强级数图。

图8 理想定向发射

图9 实验系统定向发射

测试的实际参量阵指向性与理想的情况有一定差距，主要原因有以下几个方面：

1）阵元数目、面积不足

根据理论，参量阵的阵元数目和面积都与指向性成正比，即数目越多（面积越大）指向性就越好。而实验系统主要是进行求证和验证，数目和面积无法做得足够大。如此，系统的指向性受到比较大的影响。解决办法：如在实际应用中，可以尽量增加阵元数目和面积。

2）阵元的个体差异

由于现在的换能器材料主要是压电陶瓷，存在较大的个体差异，从而影响整体指向性。解决办法：利用新型的PVDF（聚偏氟乙稀）压电材料具有柔顺、耐冲击、灵敏度高、成型易而好等特点，很适合用来形成大面积的组合阵，可以较好的应用于空气中和水下，可以将其作为参量阵的发射阵元。

3）测试条件有限也影响了实验数据。

由于测试实验场地都选择空旷的室外，室外的噪音以及风向都会对实验数据造成影响。

4 结论

通过对声音定向发射系统所采集的数据进行分析，提取到了明显的3KHz信号，实现了被超声调制音频信号的自解调（非线性解调）。声音的强度随中轴距离增大而衰减，随中轴左右两侧距离增大而衰减，3KHz测试信号的声强级数曲线与理论声强级数曲线接近，证明该系统发射声波定向性较为明显。

［1］郑贤重．高指向性音频波理论与控制研究［D］．武汉：华中科技大学，2005．

［2］樊斌，章东．非线性声参量阵成像系统设计［J］．仪器与仪表，2002，（10）．

［3］张虎，张明铎，吴迎春．组合圆形活塞声源远场指向性理论研究［J］．陕西师范大学学报（自然科学版），2006，34（1）．

［4］M Yoneyama，JFujimoto．The audio spotlight：An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design［J］．J．Acoustical Society of America，May 1983，73（5）．

［5］P JWestervelt．Parametric Acoustic Array［J］．J．Acoust．Soc．Am，1963，35（4）．

［编校：邓桂萍］

Design and Im plementation of Sound Wave Directional Transm ission System Based on the Parametric Array

ZHU Guojun1，LUWuyi2，DAIYanjiong1，GUO Xiaoke1，JIANG Xiong1
（1．Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124;
2．The Central South University，Changsha Hunan 410075）

Based on the research into acoustic parametric array and nonlinear acoustics，the paperdesigns an acoustic transmission system with a good directionality，and through the experimentalmethod，it verifies and analyzes directional properties and parametric array parameters．

acoustic parametric array;directional transmission;design

TN912．202

A

1671－9654（2012）02－061－05

2012－06－15

朱国军（1972－），湖南郴州人，副教授，工学硕士，研究方向为信息与通信工程、故障诊断。鲁五一（1957－），湖南长沙人，教授，硕士生导师，研究方向为自动控制工程。

本文为湖南省高等学校科学研究项目“基于声音定向发射的机场驱鸟装置关键技术研究”（编号：10C0007）阶段性研究成果。