CN103248980A - 一种产生低频声波的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低频声波产生技术，提供一种一种产生低频声波的方法及装置，通过用低频电信号调制高频电信号的方式获得，调制的方式可为调频、调幅、调相等方式。得到的调制信号经过换能器变换，即可输出一定频谱成分的声波信号，并且可以低至次声波段。本发明产生低频声波的方法简单，设备体积小，造价低，适合于实验室和医学中的低频声波研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种低频声波产生技术，具体地说是一种用低频电信号调制高频电信号产生低频声波的一种方式。
背景技术
低频声波，尤其是对次声波的产生、传播、接收、影响和应用的研究，已导致现代声学的一个新分支的形成，这就是次声学。次声波的产生技术是当前次声波研究课题中的难点。次声波在很多领域都得到了应用，例如可以探测核爆炸、火箭等声源的位置、大小和研究其他特性，利用自然灾害性事件前辐射出的次声预测灾害性自然事件，还可以用于对大气进行连续不断的探测和监视，利用次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况，甚至于利用次声的生物效应可以制造次声武器。
现有技术中产生次声波的方法主要有：
（1）气爆式次声产生器[仇克利.气爆次声扫雷声源[J].舰般科学技术,1991,1:37～41]。将压缩空气、高压蒸汽或高压燃气有控制地以脉冲式突然放出，利用高速排出的气体激发周围媒质的低频振动，形成所需要的次声波。这种次声装置因体积小、频率低、易控制，近年发展较快。但其次声波强度，能量转换效率都很低，且定向性能较差。
（2）管式次声产生器[Roman Vinokur,Wieland Associates.Acoustic Noise as aNon-Lethal Weapon[J].Sound And Vibration,2004:19～23]。其构造和工作原理类似于笛子，当管子中空气柱的振动与管予本身固有频率相同时，就可产生较强的次声波。
（3）扬声器式次声产生器[Yukio Takahashi,Yoshiharu Yonekawa,KazuoKanada etal.An Infrasound Experiment System for Industrial Hygiene[J].IndustrialHealth,1997,35:480，S.P.Neill.Acoustical characteristics of a very low frequencysound source[D].University of Mississippi,1993]。其工作原理与扬声器相似。采用特殊的振动膜片，膜片振动可产生一定频率的次声波。不足之处在于要求较大的振幅，还必须使振动膜面积足够大，其周长大致要与次声波波长相当，并且这种方式的能量转换效率只有不到1％。
（4）旋式次声发生器[Joseph Park,Milton Garces,Bruce Thigpen.The rotarysubwoofer:a Controllable infrasound source[J].J.Acoust.Soc.Am.,2009,125(4):2006～2012，Joseph Park,James Robertson.A portable infrasound generator[J].J.Acoust.Soc.Am.,2009,125(4):EL148]。采用动态控制风扇叶片转动的方式产生低频次声波，通过控制风扇转动频率以及动态控制风扇叶片自转，就可以产生高能量转换效率的次声信号。
研究低频声波必须要有相应的低频声波产生装置，对于研究次声波来说，需要根据应用场合来灵活地改变各种参数，比如说如何提高次声强度，效率，如何定向聚束传播等等，尤其是要求减少次声源的体积和重量。而目前还没有用低频电信号调制高频电信号产生低频声波、小型化、结构简单的低频声波产生装置（频率可低至次声）。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用低频电信号调制高频电信号，且产生低频声波的一种方式，该方式简单易行、频率可变。
本发明采用的技术方案是：
一种产生低频声波的方法，包括以下步骤：
S1.分别产生低频信号fL和高频信号fH，所述高频信号fH的频率和幅度分别高于所述低频信号fL的频率和幅度；
S2.将所述低频信号fL用来调制所述高频信号fH，得到调制信号fF；
S3.将所述调制信号fF首先通过功放进行功率放大，再通过声波换能器后得到低频声波；所述声波换能器的频率响应范围包含所述高频信号fH的频率，且所述声波换能器的下截止频率高于所述低频信号fL的频率。
优选地，所述步骤S1中产生的低频信号fL和高频信号fH均为数字信号或均为模拟信号。
优选地，所述步骤S1中产生的低频信号fL和高频信号fH的频率及幅度均可调节。
优选地，所述步骤S3中低频信号fL调制所述高频信号fH的方式为调频方式、调幅方式或调相方式。
优选地，所述步骤S3中低频信号fL调制所述高频信号fH的方式为：首先进行幅度调制得到上下对称的包络信号，然后对所述包络信号进行取半处理。
优选地，所述步骤S1中低频信号fL的频率范围是1～25Hz。
优选地，所述声波换能器为音频波段的换能器或超声波段的换能器。
本发明提供了一种产生低频声波的装置，包括：用以产生低频电信号的低频电信号产生装置（1）、用以产生高频电信号的高频电信号产生装置（2）、电信号调制器（3）、功放（4）和声波换能器（5），所述低频电信号与所述高频电信号在所述电信号调制器（3）中进行调制得到调制信号，再通过所述功放（4）进行功率放大，最后通过所述声波换能器（5）得到低频声波。
优选地，所述低频电信号产生装置（1）和高频电信号产生装置（2）的分别可独立调节所述低频信号和所述高频信号的频率和相位。
本发明还提供一种组合式低频声波产生装置，包含若干个上述的产生低频声波的装置，根据需要指向的目标来调节所述若干个产生低频声波的装置的低频电信号的相位，实现低频声波在所述指向目标处的加强。
所述组合式低频声波产生装置可设置为分布式或相控式阵列。
本发明利用易于获取的可控频率的低频和高频信号发生器，将低频电信号调制高频电信号得到调制后的电信号，再通过相应的声波换能器，输出可控的与低频调制频率有一定关联的低频声波信号。本发明所述低频声波（频率低至次声范围）实际运行中可以产生1～25赫兹的次声波信号，以及25～100赫兹的低频信号，工作方式简单易实现，具有体积小、频率可调、维护方便、工作稳定等特点。
本发明所述方法及装置结构简单，易小型化，可以用于进行分布式、相控式等方式布置，实现低频声波的加强。
附图说明
图1是本发明所述方法流程图；
图2是本发明所述装置的实施例示意图；
图3是本发明实施例中调幅电信号时域波形图；
图4是取半调幅电信号时域波形图；
图5是本发明分布式阵列的示意图；
图6是本发明相控式阵列的示意图。
具体实施方式
本发明所述方法的原理如图1所示。
本发明的原理是：利用高频信号搭载低频信号，低频信号调制高频信号得到调制信号，再通过声波换能器得到所需的低频声波。
本发明中低频信号和高频信号可以同为数字信号或同为模拟信号。低频信号和高频信号既可以采用软件实现，也可以采用硬件实现。
如图2所示，是本发明所述装置的一个实施例的示意图。低频电信号产生装置1的频率、相位及幅度均可以调节，并输出可以低至次声波段的低频电信号；高频电信号产生装置2的频率、相位及幅度均可以调节，并输出较高频率的电信号（例如音频段电信号或超声波段电信号）；然后在电信号调制器3中输入的两路电信号进行调制，低频电信号对高频电信号的调制方式包括幅度调制、频率调制和相位调制；功率放大器4对输入的调制后的载波电信号进行放大；放大后的功率载波电信号将驱动声波换能器5，从而发出相应的低频声波。本发明中低频声波的频率可低至次声波段。
由于如何产生低频信号和高频信号，以及实现低频信号调制高频信号是本领域技术人员清楚的通用技术手段，因此该处不做赘述，仅简单列出如下常用的实现方式，并非用于限定本发明的保护范围。
本实施例中低频信号产生装置1、高频信号产生装置2可用信号源产生，电信号调制器3可以采用电路实现。
本实施例中低频信号产生装置1、高频信号产生装置2、电信号调制器3还可以采用单片机或FPGA或FPGA与DSP进行电路设计并编程，实现低频信号（频率可调）对高频信号（频率可调）进行幅度、相位和频率调制，再经过D/A转化，输出调制电信号，再输入功率放大器4进行放大，驱动声波换能器5，从而发出相应的低频声波。
本实施例中低频信号产生装置1、高频信号产生装置2、电信号调制器3还可以计算机和工具软件（如MATLAB、C++等）编程，实现低频信号（频率、幅度可调，低频信号频率在计算机声卡频率响应范围内）对高频信号（频率可调、幅度可调，低频信号频率在计算机声卡频率响应范围内）进行幅度、相位和频率调制，经过计算机声卡输出调制电信号，再输入功率放大器4进行放大，驱动声波换能器5，从而发出相应的低频声波。
图3、图4给出了低频信号调制高频信号的一个实施例。该实施例中采用调幅方式，产生的调幅电信号时域波形如图3所示，再对该调幅电信号进行取半处理，处理后的调幅取半电信号时域波形如图4所示，再输入功率放大器4进行放大，驱动声波换能器5，从而发出相应的低频声波。所述取半处理例如可以采用二极管实现，或者对于软件方法时采用取绝对值的方式得到，采用调幅方式并且取半处理后的调制信号具有调幅波的特点，有利于提高低频声波效率。
本发明中声波换能器5用于将电能转化为机械能，常见的实现形式包括压电陶瓷、扬声器等，根据所述高频信号的频率选择相应频率的换能器。
如图5所示是一种分布式阵列设置形式。该实施例中组合式低频声波产生装置，图中P1，P2，P3……Pn表示n个放置在不同地点的本发明所述装置，且各个装置产生低频声波的频率相等，通过调节各个低频电信号的相位，也就是改变各个低频声波的相位，使得低频声波到达目标位置T时，增强或者减小低频声波的强度并具有一定指向性。
图6所示是一种相控式阵列设置形式。该实施例中组合式低频声波产生装置，图中Q11，Q12，……，Qmn表示m×n个本发明所述产生低频声波的装置，均放置在本地，组成阵列，通过调节各个低频电信号的相位，也就是改变各个低频声波的相位，使得低频声波到达目标位置T时，增强或者减小低频声波的强度并具有一定指向性。
以上所述六个例子仅为本发明的较佳实施例，并非限制本发明的保护范围，故凡用本发明说明书及附图内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种产生低频声波的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.分别产生低频信号fL和高频信号fH，所述高频信号fH的频率和幅度分别高于所述低频信号fL的频率和幅度；
S2.将所述低频信号fL用来调制所述高频信号fH，得到调制信号fF；
S3.将所述调制信号fF首先通过功放进行功率放大，再通过声波换能器后得到低频声波；所述声波换能器的频率响应范围包含所述高频信号fH的频率，且所述声波换能器的下截止频率高于所述低频信号fL的频率。
2.根据权利要求1所述的产生低频声波的方法，其特征在于：所述步骤S1中产生的低频信号fL和高频信号fH均为数字信号或均为模拟信号。
3.根据权利要求1所述的产生低频声波的方法，其特征在于：所述步骤S1中产生的低频信号fL和高频信号fH的频率、相位及幅度均可调节。
4.根据权利要求1所述的产生低频声波的方法，其特征在于：所述步骤S3中低频信号fL调制所述高频信号fH的方式为调频方式、调幅方式或调相方式。
5.根据权利要求1所述的产生低频声波的方法，其特征在于：所述步骤S3中低频信号fL调制所述高频信号fH的方式为：首先进行幅度调制得到上下对称的包络信号，然后对所述包络信号进行取半处理。
6.根据权利要求1所述的产生低频声波的方法，其特征在于：所述步骤S1中低频信号fL的频率范围是1～25Hz。
7.根据权利要求1所述的产生低频声波的方法，其特征在于：所述声波换能器为音频波段的换能器或超声波段的换能器。
8.一种产生低频声波的装置，其特征在于包括：用以产生低频电信号的低频电信号产生装置（1）、用以产生高频电信号的高频电信号产生装置（2）、电信号调制器（3）、功放（4）和声波换能器（5），所述低频电信号与所述高频电信号在所述电信号调制器（3）中进行调制得到调制信号，再通过所述功放（4）进行功率放大，最后通过所述声波换能器（5）得到低频声波。
9.根据权利要求8所述的产生低频声波的装置，其特征在于：所述低频电信号产生装置（1）和高频电信号产生装置（2）的分别可独立调节所述低频信号和所述高频信号的频率、幅度及相位。
10.一种组合式低频声波产生装置，其特征在于：包含若干个权利要求8或9所述的产生低频声波的装置，根据需要指向的目标来调节所述若干个产生低频声波的装置的低频电信号的相位，实现低频声波在所述指向目标处的加强。
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