定向強聲驅(qū)散裝備聲擴大與聲定向技術(shù)

陳飛翔

（武警工程大學(xué)研究生大隊，陜西 西安710086）

聲能驅(qū)散裝備通過聲波對人體的感官和神經(jīng)的刺激作用而驅(qū)散目標，在處置大規(guī)模群體性事件中運用廣泛。傳統(tǒng)的噪聲驅(qū)散裝備是以聲光劑爆炸產(chǎn)生的聲音作用于目標，既不安全也不可靠，又不可重復(fù)使用，對環(huán)境污染大，且浪費資源。定向強聲驅(qū)散裝備通過聲擴大和聲定向技術(shù)，使噪聲更具有可控性，以對目標實施更精準高效的驅(qū)散，為驅(qū)散行動提供更好的保障。

1 聲擴大技術(shù)

聲擴大是通過電磁技術(shù)將小功率聲音放大，通常利用音頻功率放大器產(chǎn)生高功率聲波，推動揚聲器發(fā)出高強度噪聲刺激人的聽覺器官，達到驅(qū)散有聲目標的效能，同時不對有聲目標造成永久性傷害[1]。

1.1 音頻功率放大器

音頻功率放大器是在產(chǎn)生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號的設(shè)備，其種類繁多，但應(yīng)用于音頻場效的以卻比較少，通常為A 類、B 類、AB 類及D 類音頻功率放大器，其中D 類和AB 類又是當前最為基本和普遍使用的[2]。

1.1.1 A 類音頻功率放大器

A 類放大器屬于最早的線性放大器,工作原理如圖1。其結(jié)構(gòu)較為簡單，電流通過單一晶體管到達終端，導(dǎo)通角達到360 度，能夠保持很好的音質(zhì)音效，但工作效率低下，通常只有25%，工作時耗費較大的電流，產(chǎn)生的熱量也比較多。

圖1 A類音頻功率放大器原理

圖2 B 類音頻功率放大器原理

1.1.2 B 類音頻功率放大器

B 類音頻功率放大器是A 類音頻功率放大器的改進，工作原理如圖2。其結(jié)構(gòu)由兩個晶體管組成，當一個晶體管導(dǎo)通時，另一個晶體管則停止，導(dǎo)通角則降到了180 度，工作效率能夠達到78%，但在信號輸入無限小時，音質(zhì)音效則會產(chǎn)生改變，影響音頻工作質(zhì)量。

1.1.3 AB 類音頻功率放大器

AB 類放大器是在B 類放大器的輸入端插入兩個二極管，融合了A 類和B 類放大器的優(yōu)長，具有音質(zhì)音效好的特點，效率介于A類和B 類之間。但由于是A 類和B 類放大器的組合優(yōu)化，耗費的能量較多，效率也不是很高。

1.1.4 D 類音頻功率放大器

D 類音頻功率放大器與A 類、B 類、AB 類截然不同，其通過脈沖信號來實現(xiàn)放大器的通斷，能夠準確的輸入和轉(zhuǎn)換模擬音頻或數(shù)字信息，具有功率消耗小、輸出效率高的突出特點，理論效率可以達到100%，實際高于85%。

1.2 揚聲器

揚聲器通常被稱為喇叭，通過換能器件將電信號轉(zhuǎn)換為放大的聲信號，主要器件為音圈和紙盆、磁回路系統(tǒng)以及支撐系統(tǒng)[3]。音圈是揚聲器的驅(qū)動單元，接受電流信號后將產(chǎn)生振動，驅(qū)使紙盆同步振動；紙盆是揚聲器的聲音輻射器件，將振動信號集中輻射后進行擴大放出，其材質(zhì)直接影響聲音的生成效果。

聲信號經(jīng)音頻功率放大器、揚聲器放大后，能夠成倍的增大其功率，輸出理想的音量，為強噪聲驅(qū)散裝備奠定了基礎(chǔ)。

2 聲定向技術(shù)

聲定向技術(shù)通過對聲音賦向，使其具有一定的方向性，向指定的方向傳播，以集中聲音的能量，提高傳輸?shù)木嚯x。在實際應(yīng)用中，聲定向已成為一種現(xiàn)實。

2.1 聚音罩技術(shù)

聚音罩技術(shù)利用波的反射原理設(shè)計而成，即任何一條通過焦點的光線經(jīng)拋物線反射后的反射光都與拋物線的對稱軸平行之原理設(shè)計而成，主要用于聲音的狹窄角度傳播[4]。聚音罩雙拋物線反射原理如圖3。

圖3 聚音罩雙拋物線反射原理

聚音罩通過在中、高頻揚聲器上罩一個半球形的聲反射罩，使中、高頻聲波經(jīng)兩次反射集中，在雙拋物線音罩內(nèi)音質(zhì)最清晰，并將聲音聚集在球形音罩開口方向，能使各區(qū)播放的聲音互不干擾，功率能夠達到60W。

2.2 遠程投射號角技術(shù)

號角技術(shù)是在喇叭單元前加上號角，增強中高頻音的指向性。常見的喇叭型揚聲器就是簡單的號角定向裝置，通過將聲波反射后向喇叭口方向投放，使聲音沿喇叭口軸心線方向傳播擴散，而不是向四面八方等量傳播，從而賦予聲音一定的方向[5]。

2.2.1 揚聲器單元前加裝八字型號角

在揚聲器單元前加裝八字型號角，將改變喇叭內(nèi)聲音的傳播方向和傳播途徑，使得聲音經(jīng)過兩次反射集中后達到外界，作用原理如圖4。號角改變了聲音在揚聲器內(nèi)的傳播方向和途徑，使聲音到達喇叭口的時間產(chǎn)生變化，發(fā)射出來的聲音方向也發(fā)生了變化，聲音的波陣面趨向于以喉口為中心的球面波，聲波的擴散角比普通揚聲器小，其聲音在一定的擴散角內(nèi)集中傳播。

圖4 揚聲器前加裝號角作用原理

圖5 加裝菱形塞子號角作用原理

2.2.2 八字型號角內(nèi)加裝菱形塞子

在八字型號角內(nèi)加裝菱形塞子，是在號角的中間部分加裝菱形塞子，作用原理如圖5。通過中間菱形塞子的聲音，由于受到阻擋將改變傳播方向，增加傳輸距離，延長傳輸時間，使得號角中間原本傳輸距離較短的聲波到達出口的時間與其他部分相同，同時聲波經(jīng)菱形塞子的再次反射，到達出口時的角度基本相同，發(fā)射到外界的將由球形波向柱型波改變，聲音的指向性更強。大功率遠程高音號角技術(shù)目前已非常成熟，功率可達500W，射程可達2km，重量約40kg。

2.3 揚聲器陣列技術(shù)

2.3.1 揚聲器陣列原理

揚聲器陣列技術(shù)通過將多個揚聲器進行相應(yīng)的組合排列，利用多個揚聲器產(chǎn)生聲波后的相互干涉和相互疊加來實現(xiàn)聲擴大及聲定向，使聲音具有很強的指向性[6]。揚聲器陣列的組合排列極為關(guān)鍵，通常由構(gòu)造相同的多個揚聲器呈線狀或平面狀排列，揚聲器之間保持極小的間隔距離，使相互干涉疊加的聲波形成柱面波，產(chǎn)生更大的聲音，實現(xiàn)很好的垂直指向性覆蓋和投射更遠的距離。

2.3.2 揚聲器陣列指向性

點聲源以球形輻射，本身沒有指向性，而通過揚聲器陣列的排列組合，使揚聲器的數(shù)量增加，揚聲器之間的距離減小，當達到一定的極限時，揚聲器點聲源陣列轉(zhuǎn)變?yōu)榫€陣列[7]。線陣列聲波的傳播方向集中，而且通過調(diào)整揚聲器的組合排列模式或者調(diào)整單個揚聲器輸入聲波信號的頻率以及改變聲源中心的位置，能夠方便的改變揚聲器陣列輸出聲波的方向。通過將揚聲器線陣列進行擴展，可組合成揚聲器矩形陣列，其具有更好的指向性，但技術(shù)也更復(fù)雜、體積龐大、操作繁鎖，多用于專業(yè)的聲場控制活動。

2.4 基于超聲波的聲頻定向傳播技術(shù)

從理論上來說，聲波能不能實現(xiàn)定向發(fā)送，取決于波長和聲源尺寸的比例關(guān)系。在發(fā)聲聲源遠遠小于波長時，聲波呈球形傳播；而在發(fā)聲聲源遠遠超過波長時，聲波由球形波向柱面波轉(zhuǎn)變，聲音傳播的方向逐漸集中[8]。因此，要使聲波具有定向性，可以增加發(fā)聲器的尺寸或者使用高頻率聲波，在實踐中，增加發(fā)射器尺寸雖然理論上可行，但缺乏實用的價值，而使用高頻率聲波并減小發(fā)射器的尺寸，可以實現(xiàn)小型發(fā)射器定向發(fā)送聲波。而超聲波波長為毫米以下，遠小于聲源尺寸，具有很強的方向性，且超聲波具有較好的安全性，基于超聲波傳播的這種安全性和高指向性，使用超聲波加載音頻信號也具有很強的安全性和指向性[9]。但人耳無法直接聽取超聲波，必須通過技術(shù)手段使可聽聲加載在超聲波上進行發(fā)送，使兩列不同頻率的電信號在傳輸中通過非線性自解調(diào)而交互作用[6]。交互作用的超聲波信號在傳輸時，將生成許多兩列超聲波信號，稱之為超聲波“和頻”信號和“差頻”信號，而“差頻”信號的頻率可以被人耳直接聽到，可以實現(xiàn)遠距離下聲音的定向傳播，超聲波信號在空氣中非線性交互作用如圖6。

圖6 超聲波信號在空氣中非線性交互作用

通過加裝超聲換能器，能夠加倍的增強聲信息、提升工作效率，使得基于超聲波的聲頻裝置聲音覆蓋面更大、角度定向更準、可懂度更高、聲強更高、音質(zhì)更加清晰，可以實現(xiàn)對遠距離的定向喊話驅(qū)散，對驅(qū)散目標的警告威懾，還可以透過部分障礙物實現(xiàn)定向強聲驅(qū)散，保證了遠距離聲音傳播的有效性和準確性[10]。

3 結(jié)論

本文通過研究定向強聲驅(qū)散裝備的作用原理，重點分析了聲波驅(qū)散裝備聲擴大和聲定向技術(shù)，介紹了定向強聲驅(qū)散裝備實現(xiàn)的原理、方法和途徑，得出了定向強聲驅(qū)散裝備實戰(zhàn)應(yīng)用的時機和對象，為驅(qū)散裝備在實戰(zhàn)中運用提供了理論依據(jù)和實踐參照。