CN103680490A - 多频段远程定向强声系统 - Google Patents

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陈敏
黄彦鑫
陈尔禹
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Abstract

一种多频段远程定向强声系统，由信号输入设备、低通滤波器1、A/D转换器1、全向传声器、低通滤波器2、A/D转换器2、数字信号处理器和声发射通道组成。声发射通道又由功放、匹配电路和换能器组组成。在系统中同时存在多个声发射通道，分别对应于不同频率段。本发明可以根据外界对象自动进行声样本选择，通过不同频段的声发射通道同时发射定向强声信号，达到对多个对象同时作用的目的。

Description

多频段远程定向强声系统
技术领域
本发明涉及一种远程定向强声系统，特别是可对频段进行动态调整的多频段远程定向强声系统。
背景技术
远程定向强声系统是利用声波定向技术将大功率声波定向传播至远距离处，达到远距离清晰通知、警告或对被作用对象进行驱散、拒止的目的。根据作用对象不同，该系统需要采用不同频段的声波才能达到最佳的作用效果，如5-15KHz的声波可驱赶大象、猫头鹰、金丝雀、小鹦鹉等动物，15-30KHz的声波可驱赶马、羊、栗鼠、老鼠等动物，25-40KHz的声波可驱赶狗、乳牛、马、羊、老鼠、浣熊、美洲豪猪及雪貂等，20-65KHz的声波可驱赶及天竺鼠、美洲袋鼠等，而对人类的最佳驱散声波频段约为2-4kHz。可见，远程定向强声系统的声波频段在很大程度上决定了其能够达到的功能。
远程定向强声系统的声波频段取决于其所用换能器的频响特性。单一换能器覆盖的频段有限，这使得采用一种换能器的远程定向强声系统只能产生对应于该换能器频段的强声波，仅能对该频段覆盖的一种或几种对象进行作用，这使得在实际使用中需要配备多套不同频段的远程定向强声系统才能解决诸多对象同时作用的实际问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可产生多个频率段强声波的远程定向强声系统，解决采用单一换能器的远程定向强声系统无法同时兼顾多个作用对象的问题。
本发明的目的通过以下技术方案加以实现：一种多频段远程定向强声系统，包括：
信号输入设备，用以储存和输入信号；
低通滤波器1，与信号输入设备输出端连接，用以滤除0～100kHz带外成分；
A／D转换器1，与低通滤波器1输出端连接，将模拟信号转换为数字信号；
全向传声器，对外界声音信号进行采集；
低通滤波器2，与全向传声器输出端连接，用以滤除0～100kHz带外成分；
A／D转换器2，与低通滤波器2输出端连接，将全向传声器采集的信号从模拟量变为数字量；
数字信号处理器，与A／D转换器1及A／D转换器2的输出端连接，将全向传声器采集的外界声音信号与信号输入设备中的比对声音样本进行对比，判断外界发声对象是人还是动物，并对具体的动物种类进行判定，继而从信号输入设备中调取对应于该对象的声样本，将其发送至对应的声发射通道；
声发射通道，包括：
功放，与数字信号处理器输出端连接，采用数字功放直接接收数字信号处理器的数字输出信号，并对其进行功率放大；
匹配电路，与功放的输出端连接，用以对紧接其后的换能器组进行阻抗匹配；
换能器组，与匹配电路输出端连接，并由多个频率响应一致的换能器组成，单个换能器频响曲线在带宽范围应保持高度一致，与该组所有换能器的平均频响曲线的相对误差不超过3％。
声发射通道的数量与频段分组数相等，声发射通道中的换能器组频响范围与其对应的频段分组确定的频率范围一致。
本发明是利用声相控阵、声参量阵等声波定向技术实现大功率声波定向传播的原理，采用多频段声发射通道组合，而制作一种多频段远程定向强声系统。与一般远程定向强声系统相比，本发明提供了一种覆盖频率宽，可同时对众多对象进行作用的新型远程定向强声系统。
本发明的优点在于可以通过采集外界声音信号，通过数字信号处理器将其与系统储存的声音样本进行比对，从而确定外界动物的具体种类、数量，调用相应的声波攻击样本，并通过对应频段的声发射通道发射该声波攻击样本，在保证对特定对象的最佳作用效果的同时，可以对诸多对象同时进行作用，从而克服了采用单一频段远程定向强声系统只能对有限几个对象进行作用的缺陷。
附图说明
图1示出了多频段远程定向强声系统的总体结构。
图2示出了换能器阵的阵元排布方法。
图3示出了多频段远程定向强声系统信号处理流程。
具体实施方式
图1示出了多频段远程定向强声系统的总体结构。多频段远程定向强声系统由信号输入设备(1)、低通滤波器1(2)、A／D转换器1(3)、低通滤波器2(4)、全向传声器(5)、A／D转换器2(6)、数字信号处理器(7)、声发射通道组成。其中声发射通道由n路组成，每路包括功放(8)、匹配电路(9)和换能器组(10)三个部件；信号输入设备(1)可为MP3、MP4、麦克风等设备中的一个或多个，但必须保证至少有一个可存储信息的信号输入设备，如MP3或MP4等。多频段远程定向强声系统首先通过全向传声器(5)采集周围环境的声音信息，然后通过低通滤波器2(4)将0-100kHz以外的带外成分滤除掉，A／D转换器2(6)将滤波后的声音信息传递到数字信号处理器(7)；数字信号处理器(7)将采集到的外界声音信号与信号输入设备(1)中存储的声样本信号进行匹配，确定外界动物的具体种类与数量，并从信号输入设备(1)中调取针对这些动物的声样本，继而根据这些声样本的频率特性，从不同的声发射通道将这些声样本同时发射出去，达到同时驱赶多种动物的目的。
多频段远程定向强声系统覆盖的声波频段为0-100kHz，声发射通道的数量n与频段划分数量一致。频段划分可等分划分，也可不等分划分，如将0-100kHz划分为0-20kHz、20-40kHz、40-60kHz、60-80kHz、80-100kHz共计5个等分频段，或将其划分为0-20kHz、20-35kHz、35-45kHz、45-65kHz及65-100kHz共计5个不等分频段，此时声发射通道数量n均为5个。
多频段远程定向强声系统对动物一般的作用为驱赶、引诱等，而对人则包括警告、通知、驱散与拒止等作用，因此信号输入设备(1)中的麦克风可对人进行实时警告与通知，MP3、MP4等存储播放类设备可存储、播放声音样本，而声音样本包括三大类：比对声音样本，用于与外界声音进行比对，以确定外界动物种类与数量；非敌意性声样本，用于对人、动物进行非敌意性通知；声攻击样本，用于对作用对象进行警告、驱散、拒止等敌意性操作。
图2示出了换能器阵的阵元排布方法。在此将换能器按频段分为3组，每组换能器个数为12个。为保证各组换能器能在阵列内大致均匀分布，首先建立坐标系XOY,然后从圆点O附近开始从内向外沿螺旋状排布路径(12)开始排布换能器阵元(11)，排布的顺序是：第一轮首先排布第1组的换能器1个，然后排布第2组的换能器1个，然后排布第3组的换能器1个；第二轮也是首先排布第1组的换能器1个，然后排布第2组的换能器1个，然后排布第3组的换能器1个；如此按组号顺序每组依次轮流排一个，直到将所有换能器组的换能器排布完毕为止，即可完成换能器的组阵。在该阵列中，有3组换能器，每组换能器对应于不同频段，可发射不同频段的声波。这种排布方式可保证各组换能器具有大致相当的阵元分布，从而保证其指向性在各个方向上具有较少差异。若频段为n组，则按照以上所述螺旋状阵元排布方法排布各组阵元。同时，各组换能器的换能器个数可相等，也可不相等。
图3示出了多频段远程定向强声系统信号处理流程。该信号处理程序在数字信号处理器(7)运行。其处理流程是：首先采集全向传声器输入信号，然后将其与信号输入设备(1)中存储的比对声音样本进行比对，确定外界环境中动物的种类与数量，并确定用于对象作用的非敌意性声样本或声攻击样本，根据这些声样本的频段特性，选择相应的声发射通道将其同时发出，达到同时对这些对象进行作用的目的。在这些声样本播放完毕后，若系统继续工作，重复以上过程。

Claims (7)

1.一种多频段远程定向强声系统，包括：
信号输入设备，用以储存和输入信号；
低通滤波器1，与信号输入设备输出端连接，用以滤除0～100kHz带外成分；
A／D转换器1，与低通滤波器1输出端连接，将模拟信号转换为数字信号；
全向传声器，对外界声音信号进行采集；
低通滤波器2，与全向传声器输出端连接，用以滤除0～100kHz带外成分；
A／D转换器2，与低通滤波器2输出端连接，将全向传声器采集的信号从模拟量变为数字量；
数字信号处理器，与A／D转换器1及A／D转换器2的输出端连接，将全向传声器采集的外界声音信号与信号输入设备中的比对声音样本进行对比，判断外界发声动物的种类和数量，继而从信号输入设备中调取对应于该对象的声样本，将其发送至对应的声发射通道；
声发射通道，包括：
功放，与数字信号处理器输出端连接，采用数字功放直接接收数字信号处理器的数字输出信号，并对其进行功率放大；
匹配电路，与功放的输出端连接，用以对紧接其后的换能器组进行阻抗匹配；
换能器组，与匹配电路输出端连接，并由多个频率响应一致的换能器组成，单个换能器频响曲线在带宽范围应保持高度一致，与该组所有换能器的平均频响曲线的相对误差不超过3％。
2.根据权利要求1所述多频段远程定向强声系统，其特征是：多频段远程定向强声系统覆盖频段为0-100kHz；该频段划分为多个频段，频段划分可等分划分，也可不等分划分。
3.根据权利要求1所述多频段远程定向强声系统，其特征是：所述声发射通道有2个以上，其数量与频段分组数相等，声发射通道中的换能器组频响范围与其对应的频段分组确定的频率范围一致。
4.根据权利要求1所述多频段远程定向强声系统，其特征是：所述信号输入设备可为MP3、MP4、麦克风等设备中的一个或多个，但必须保证至少有一个可存储信息的信号输入设备。
5.根据权利要求1所述多频段远程定向强声系统，其特征是：所述信号输入设备存储三类声样本信息，分别为比对声音样本，用于与外界声音进行比对，以确定外界动物种类与数量；非敌意性声样本，用于对人、动物进行非敌意性通知；声攻击样本，用于对作用对象进行警告、驱散、拒止等敌意性操作。
6.根据权利要求1所述多频段远程定向强声系统，其特征是：所述换能器组构成换能器阵列；换能器阵列中阵元的排布方法为从阵列中心附近从内向外沿螺旋状排布路径开始排布换能器阵元，排布的顺序是按组号顺序每组依次轮流排一个，直到将所有换能器组的换能器排布完毕为止；各组换能器的换能器个数可相等，也可不相等。
7.根据权利要求1所述多频段远程定向强声系统，其特征是：所述数字信号处理器中信号处理程序处理流程为：首先采集全向传声器输入信号，然后将其与信号输入设备中存储的比对声音样本进行比对，确定外界环境中动物的种类与数量，并确定用于对象作用的非敌意性声样本或声攻击样本，根据这些声样本的频段特性，选择相应的声发射通道将其同时发出，达到同时对这些对象进行作用的目的；在这些声样本播放完毕后，若系统继续工作，重复以上过程。
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