声频定向驱散系统原理研究

聂正南 翟晓军

（武警工程大学装备运输系 陕西 西安 710086）

0 引言

传统扬声器发出的声波全向传播，难以产生高指向性可听声。而声频定向系统可用较小尺寸的换能器产生高指向性可听声波[1]。在指向性区域外听到的声音将很微弱或根本听不到。目前声频定向系统在世界上又被称作参量声学阵（parametric acoustic array）、参量扬声器(parametric loudspeaker)、音频聚光灯(audio spotlight)、声束扬声器(audio beam loudspeaker)、超声频声音(hypersonic sound)、指向性声学系统(directional acoustic system)等等[2]。

2000年由美国ATC(American technology Corporation)公司率先研制成声频定向商业化产品，成功装备了部队，主要用于军舰反恐[3]。事实上作为军用产品，这类声波武器具有两种功能:一种是指向性警告功能，即当敌人在500码以外时，发出高指向声波进行严厉警告;二是攻击功能，即当敌人进入200码以内时，将警告声代之以12OdB的大功率攻击声波，使敌人丧失行动能力，其作用类似于榴弹枪。此时声频定向系统就变成了一种指向性声波武器。目前美国ATC公司研制的该类非致命性声波武器已成功装备了美国第2、3、5、7舰队及Carl Vinson号航空母舰，成为了一种舰艇反恐利器。此外声频定向系统还可用于机场、农田驱鸟，边防安全、港口安全、边境缉毒缉私等领域。还可应用于各种需要提供私人视听环境的场合，例如自动取款机(Automatic Teller Machine，ATM)的语音服务系统、机动车报警器、多国会议、展厅展台、餐厅音响服务、产品介绍、手机及其他消费电子等，也可以在舞台表演和家庭影院中利用该系统制造出虚拟3D音效。

本文介绍了声频定向系统的基本原理及其系统组成，为声频定向系统在非致命领域的应用做出理论研究，为下一步实际应用打下基础。

1 声频定向系统基本原理

声频定向的基本原理是将普通声波调制成两列频率分别为f1、f2的超声波信号,通过空气的非线性传播作用自解调产生频率为(f1-f2)的差频声波，若超声波频率选择合适，则可产生与声波信号一致的高指向性声波，即以超声波为载波发射具有强指向性的攻击声波。声波在空气中传播的衰减系数正比于其自身频率的二次方，所以频率较高超声波将很快衰减，最后只剩下在可听声频率范围的差频声波在空气中继续传播。由此超声波传播距离很近，攻击声波则可以传播较远的距离。由于超声波传播的高指向性使得产生的攻击声波也具有较高的指向性[4]，这就是声频定向驱散系统基本原理。

图1 声频定向驱散系统基本原理

声频定向驱散系统关键在于实现声波信号的指向性，只有实现较好的指向性才能针对具体目标和特定区域实施定向驱散，达到近距离驱散非法聚众人群目的，在实际使用过程中才能体现其技战术价值。

2 声频定向系统组成

声频定向驱散系统主要由数字信号处理器(DSP)，D类功率放大器及超声波换能器三个模块组成。声波信号首先经过DSP进行算法加载与调制后输入到D类功率放大器中，通过D类功率放大器将驱动信号功率放大并加载到超声波换能器上，驱动换能器将定向超声波发射到空气中。超声波在空气中传播时由于非线性作用进行自解调，产生与原信号一致的攻击声波。

数字信号处理器（DSP）是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理器,主要用于实时快速地实现各种数字信号处理算法。它针对实时数字信号处理在处理器结构、指令系统、指令流程以及总线结构上作了很大改进,最重要的是它的算术单元包含高速的硬件乘法器。由于信号处理算法的特点,乘法操作十分频繁,乘法运算的速度是数字信号处理实现中的一个瓶颈问题,DSP大多配有独立的乘法器和加法器,能在同一周期内完成相乘、累加两个操作。在通用的微处理器内,通过程序实现的乘法操作往往需要几十到上百个时钟周期,而DSP完成一次乘法操作只需要一个时钟周期,特别适合于进行乘法运算[5]。

D类功率放大器则是超声换能器的驱动部件，在尽可能降低失真的情况下，向换能器提供足够功率的驱动信号以使其能正常振动发射超声波。D类功率放大器消耗功率较低，功放的效率高，实际效率可达90%以上[6]。因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积,因此D类放大器在便携式设备上的应用具有很大的优势。

超声波换能器是将电能转换成声能的器件。我们选用聚偏二氟乙烯(PVDF)作为声频定向换能器制作材料，聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种新型压电高分子聚合物材料。它的压电常数高、质量轻、密度小、柔韧性好、频响宽、声阻抗低、灵敏度高、稳定性好，可以分割成任意形状与尺寸，把它加工成薄膜作为换能器发射材料使用时，对系统的振动响应影响很小[7],是一种较为理想的换能器制作材料。由PVDF制作的整体式换能器加工简单，易于制作，易于调试，有效发声面积更大、输出功率更高。

3 结论

声频定向系统不仅在民用方面具有广阔的应用前景，更重要的是体现在其军事价值，无论是在杀伤性武器或是非致命武器中均有重大的应用价值。因此声频定向系统基础理论与关键技术的研究也可为将声频定向技术应用于我国军事领域做出积极贡献，从而为我国的新式声波武器发展提供一定的理论与技术方面的支持。

［1］P.J.Westervelt.Parametric Acoustic Array [J].The Journal of the Acoustical Society of America，1963,35(4):535-537.

［2］陈敏,徐利梅,黄大贵,张德银.声频定向扬声器的研究进展[J].电声技术,2006,11:17-22.

［3］J.James,J.O.Norris.HSS white Paper[R].USA:American Technology Corporation,2005.

［4］Woon,Seng Gan,etc.Audio BEAM Using TI Digital&Analog Components Application Report[R].Nanyang Technological University,Singapore,April,2001,VOL.23(6):125-130.

［5］刘姗梅,姚维,徐利梅.DSP在新型声频定向系统中的应用[J].电声技术,2007,31(3):27-30.

［6］姚福安,万鹏.D类音频功率放大器设计[J].山东大学学报:工学版, 2003,33(6):665-669.

［7］董丽杰,熊传溪,陈娟.聚偏氟乙烯-钛酸钡复合材料的介电性能[J].复合材料学报，2003,20(3):122-124.