基于超聲調(diào)制的聲波定向發(fā)射器的設(shè)計

摘 要：基于超聲調(diào)制的聲波定向傳播是近年來的熱門研究課題。通過對聲波定向發(fā)射原理的研究，用具體電路和器件搭建了一套完整的聲波定向發(fā)射器。經(jīng)過測試，獲得明顯的聲音定向效果。因此，設(shè)計及研究高強度、高穩(wěn)定度的聲波定向發(fā)射器是本文的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：超聲波；定向傳輸；自解調(diào)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.116

本文所研究的聲波定向發(fā)射器具有非常廣闊的應(yīng)用前景，既可用于軍事領(lǐng)域，例如定向聲頻信號可以造成敵方心理上的恐懼。還可用于商業(yè)領(lǐng)域，利用發(fā)生器具有很強的指向性這一特點只針對某些特定人群。例如，博物館里的游客參觀展覽品時或者逛超市身處不同的商品類型時。另外，還可應(yīng)用于機場驅(qū)鳥設(shè)備，既防止了威脅安全飛行的“鳥撞”事件的發(fā)生，又很好的保護了鳥類，使機場在驅(qū)鳥方面朝生態(tài)文明靠攏。

1 定向發(fā)射器原理

聲波和其他的波有很多相似之處，波的定向性取決于波的波長與波源的尺寸之比，當(dāng)波的波長遠大于波源的尺寸時，波就沒有定向性。當(dāng)波的波長接近聲源尺寸時，開始呈現(xiàn)波的定向傳播，當(dāng)波的波長遠小于波源尺寸時，波的定向性越來越強。

聲波的主要頻率成分集中在300～3KHZ，以其中較低的頻率f1=300HZ為例，波長λ1=V/f1，其中V是聲波在空氣中的傳播速度約等于340m/s，則λ1=1.13m，較高的頻率f2=3KHZ，波長λ2=V/f2=0.11m。可見聲波的低頻成分需要更大的聲源（反射）面積。對于λ1的反射面的最小直徑1.13m，要獲得較好的定向效果則反射面直徑要在10m以上，這雖然在理論上可行，但理論價值不高。

將聲波的頻率線性搬移到較高的頻率上形成已調(diào)超聲波，在發(fā)送已調(diào)波的同時，再發(fā)送一組未調(diào)制的同頻（同相）載波信號，由于空氣對超聲波傳播呈非線性，2路信號在空間將發(fā)生相互作用，產(chǎn)生出許多“和頻”與“差頻”信號，其中一次方差信號就是調(diào)制信號——聲音信號，即可以直接聽到的聲音。這個過程稱為聲音信號的自解調(diào)。

首先用抑制載波的雙邊帶調(diào)幅器將聲音電信號調(diào)制到超聲波的載波電信號上，送入超聲波功率放大器放大后送至超聲波換能器陣列轉(zhuǎn)換成超聲波向空間發(fā)送。另一路則將超聲波電信號直接轉(zhuǎn)換成超聲波向空間發(fā)送。

本文選用超聲信號的頻率為21KHz，主要考慮頻率越高，在空氣中的衰減越大，但頻率越高，定向性越好，故在超聲信號的產(chǎn)生器中我們選擇頻率可調(diào)的信號產(chǎn)生器，便于在調(diào)試中選擇最佳的超聲頻率。所選超聲波信號如圖1所示：

2 定向發(fā)射器實驗結(jié)果

在輸入載波的20KHz方波信號，聲頻1KHz方波信號，得到的已調(diào)信號如圖2所示：

聲波定向發(fā)射器如圖3所示，主要由主機、輔機、換能器三部分構(gòu)成，主機完成超聲調(diào)制，輔機實現(xiàn)功率放大，換能器將自解調(diào)后的兩路超聲波電信號轉(zhuǎn)換成超聲波向空間發(fā)送。通電實驗后，在在正對聲波定向發(fā)生器的方向能夠聽到正常的音頻信號，而在其他方向僅能感受到微弱的聲音信號。

3 結(jié)論

由于超聲波在空氣中的非線性效應(yīng)，只有在定向發(fā)射器正前方才可以獲得可聽聲波，該文中設(shè)計的超聲波定向發(fā)射器經(jīng)過一系列的電路設(shè)計和實際調(diào)試后，其聲音定向發(fā)送的效果達到了較為滿意的效果。在正對聲波定向發(fā)生器的方向能夠聽到正常的音頻信號，而在其他方向僅能感受到非常微弱的聲音信號。

參考文獻：

[1]劉軍.聲波定向發(fā)射器的原理研究與電路實現(xiàn)[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011.

[2]張雅麗.聲波定向傳輸實驗系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].通信技術(shù)，2009.

[3]張揚.聲波定向系統(tǒng)設(shè)計[D].長沙：國防科學(xué)大學(xué)，2011.

[4]紀(jì)鳴.聲頻信號定向傳播技術(shù)研究[D].西安，西北工業(yè)大學(xué)，2005.

作者簡介：張培培（1988-），女，研究生，講師，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。