基于參量陣的聲波定向發射系統的設計與實現

朱國軍，魯五一，戴儼炯，郭曉科，蔣雄

（1．長沙航空職業技術學院，湖南長沙410124;2．中南大學，湖南長沙 410075）

基于參量陣的聲波定向發射系統的設計與實現

朱國軍1，魯五一2，戴儼炯1，郭曉科1，蔣雄1

（1．長沙航空職業技術學院，湖南長沙410124;2．中南大學，湖南長沙 410075）

通過對聲學參量陣及非線性聲學的研究，設計出具有良好定向性的聲波發射系統，并通過實驗的方式對定向性能、參量陣參數進行驗證和分析。

聲學參量陣;定向發射;設計

上世紀六十年代，韋斯特維爾特（Westervelt）提出了聲學參量陣理論，聲學與非線性聲學研究獲得巨大突破。聲學參量陣是利用聲波在介質中傳播的非線性特性，使用兩個沿同一方向傳播的高頻初始波，獲得差頻、和頻等聲波的聲發射裝置，運用參量陣的方式，使得低頻聲波也可以形成傳播的尖銳指向性。［1］由于聲吸收系數與頻率的平方成正比，在聲波的傳播過程中，頻率較高的超聲及和頻信號衰減很快，經過一段距離后，僅剩下頻率較低的差頻信號。［2－3］該差頻波具有良好的指向性和穿透性，應用領域非常廣，可以廣泛應用于民用和軍用聲納建造、魚群探測、隱蔽水雷探測、海底環境監測、水下通信、群體性事件處置、商業宣傳等領域。

1 理論基礎

調幅波發射到空氣中，在空氣的非線性作用下，超聲波載波和上下邊頻波在空氣中自解調，出現與調制信號相同的聲波。即已調聲波能被空氣解調。［4］Westervelt首先分析這種現象，［5］并基于Lighthill的流體動力學方程

求解此方程可得到非線性相互作用后產生的二次波的聲壓，可表示為：

r是觀測點位置向量，r＇是聲源位置向量，v是非線性作用空間。

為簡化分析起見，用g（t）=sinωt表示單頻聲信號，g（t）調制超聲波并由超聲換能器發射，距軸向x遠處的調制波聲壓p1可用下式給出：

p0是超聲聲壓，ω0是超聲波頻率，m是調制深度，α是載波的吸收系數，c0是聲速。

因為聲波在空氣中的非線性作用，在主聲束里產生單頻可聽聲g（t）的聲信號源。聲源方程如下：

上式右邊第二部分為二次諧波成分，即失真，由于當調制深度m較小時，其失真也相對較小，不考慮二次諧波，那么空氣非線性作用解調后二次波的聲壓ps在換能器軸向r處可用（3）式和（5）式得到，即：

2 基于參量陣的聲波定向發射系統的設計

基于參量陣的聲波定向發射系統由發射模塊和接收測試模塊組成，如圖1所示。聲學參量陣發射模塊，是用來產生一定頻率的載波和調制信號，由正弦信號發生器產生所需頻率的信號，通過調制電路，對音頻信號進行雙邊帶調制，調制后的信號經功率放大器進行放大后，由換能器發射出去。接收設備選用的是基于Lexicon Pro Lambda專業聲卡音頻卡的測試系統，并通過Cool Edit Pro軟件完成信號的采集與頻域分析。

圖1 系統整體框架

聲學參量陣發射模塊分為：電源、調制電路、超聲波換能器、音頻輸入電路、功放電路。

2．1 超聲波換能器的設計

本系統選用TCRT16－40K超聲波換能器作為參量陣陣元。由于單個換能器的輸出功率十分有限，常常不能滿足指向性、發射聲功率、接收靈敏度以及信息處理等多方面要求，所以通常采用換能器陣列來提高參量陣的性能，在發射時盡可能的將聲能集中到某一指定方向上，形成尖銳的指向性，并能夠較大的提高發射功率。通過比較各種陣列的優缺點，本系統采用正六邊形陣，發射陣由91個圓形的電陶瓷換能器組成，并將91個陣元分為同軸的兩組，在發射過程中，既可以分別發射兩個高頻信號，也可以將兩路并聯發射經過信號處理的調制信號，具體見圖2。

圖2 陣元分布PCB板圖

2．2 調制電路的設計

本實驗系統采用的調制方式為雙邊帶調幅（DSB），1965年，Berktay提出了關于參量陣更精確的解釋，他使用了調制中包絡的概念。本實驗系統利用F1496乘法器調制，來實現雙邊帶調幅，如圖3所示。

圖3 1496構成的DSB調幅器

2．3 接收測試模塊

接收設備選用的是基于Lexicon Pro Lambda專業聲卡音頻卡的測試系統，并通過Cool Edit Pro軟件完成信號的采集與頻域分析。

3 定向發射系統測試與分析

3．1 自解調及指向性測試

測試目的：非線性解調測試，測試系統發射的調制波是否能自解調出音頻信號;指向性測試，并繪制出系統的指向性范圍。

待測信號：選擇由40KHz載波與3KHz調制信號，進行調幅得到調幅波。

測試點選擇：以換能器陣列指向為中心軸，在中心軸上距離換能器陣列1m、2 m、3 m、5m、10m、15m、20m、30m、40m處選取9個測試點，并在垂直中軸左右倆側各1m、2m、3m、4m處選取測試點，共81個測試點。

3．2 測試數據及分析

利用Lambda Studio在不同的測試點完成數據采集，將采集的數據利用Cool Edit Pro進行分析。圖4和圖5分別為中心距5m和5m右側1m的原始數據。

圖4 中心距5m的測試

圖5 中心距5m右側1m的測試

對于測試中的誤差，通過數據處理的方式進行濾波，只取3KHz測試信號。如圖6所示，右側出現明顯的干擾信號，可通過后期濾波處理，從而得到需要的信號。

圖6 采集信號中的干擾

將所有經過濾波處理的信號，采用傅里葉變換（FFT）的方式進行處理，采樣頻率65536Hz，采樣波形為三角波。將信號進行頻域分析，并得到各測試點的聲強。圖7為測試點yc10－1的頻譜分析圖，3KHz有明顯自解調音頻信號。

圖7 yc10－1m頻譜圖

測試各點的3KHz的信號聲強，結果如表1所示。

表1 部分左右側聲強參數表

以各距離中軸作為聲強參考點，根據測試的3KHz測試信號的聲強級數繪制出下圖9，圖8是根據理論數值繪制的聲強級數圖。

圖8 理想定向發射

圖9 實驗系統定向發射

測試的實際參量陣指向性與理想的情況有一定差距，主要原因有以下幾個方面：

1）陣元數目、面積不足

根據理論，參量陣的陣元數目和面積都與指向性成正比，即數目越多（面積越大）指向性就越好。而實驗系統主要是進行求證和驗證，數目和面積無法做得足夠大。如此，系統的指向性受到比較大的影響。解決辦法：如在實際應用中，可以盡量增加陣元數目和面積。

2）陣元的個體差異

由于現在的換能器材料主要是壓電陶瓷，存在較大的個體差異，從而影響整體指向性。解決辦法：利用新型的PVDF（聚偏氟乙稀）壓電材料具有柔順、耐沖擊、靈敏度高、成型易而好等特點，很適合用來形成大面積的組合陣，可以較好的應用于空氣中和水下，可以將其作為參量陣的發射陣元。

3）測試條件有限也影響了實驗數據。

由于測試實驗場地都選擇空曠的室外，室外的噪音以及風向都會對實驗數據造成影響。

4 結論

通過對聲音定向發射系統所采集的數據進行分析，提取到了明顯的3KHz信號，實現了被超聲調制音頻信號的自解調（非線性解調）。聲音的強度隨中軸距離增大而衰減，隨中軸左右兩側距離增大而衰減，3KHz測試信號的聲強級數曲線與理論聲強級數曲線接近，證明該系統發射聲波定向性較為明顯。

［1］鄭賢重．高指向性音頻波理論與控制研究［D］．武漢：華中科技大學，2005．

［2］樊斌，章東．非線性聲參量陣成像系統設計［J］．儀器與儀表，2002，（10）．

［3］張虎，張明鐸，吳迎春．組合圓形活塞聲源遠場指向性理論研究［J］．陜西師范大學學報（自然科學版），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）．

［編校：鄧桂萍］

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

朱國軍（1972－），湖南郴州人，副教授，工學碩士，研究方向為信息與通信工程、故障診斷。魯五一（1957－），湖南長沙人，教授，碩士生導師，研究方向為自動控制工程。

本文為湖南省高等學校科學研究項目“基于聲音定向發射的機場驅鳥裝置關鍵技術研究”（編號：10C0007）階段性研究成果。