CN103822701B - 多声音束汇聚的实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多声音束汇聚的实验装置及其使用方法，实验装置包括语音输入装置、载波信号发生器、调制电路、功率放大电路、上位机、核心处理器、声音强度监测仪、扬声器阵列和转动器；其中，语音输入装置的信号输出端与调制电路的一信号输入端相连接；载波信号发生的信号输出端与调制电路的另一信号输入端相连接；调制电路的信号输出端与功率放大电路的信号输入端相连接；功率放大电路的信号输出端与扬声器阵列相连接，其控制输入端与核心处理器相连接；声音强度监测仪的信号输出端与核心处理器相连接；转动器的信号输入端与核心处理器相连接。本发明的实验变量控制简单，能够有效、快速和低成本地采集并得出大量的实验数据，并且能够及时地在上位机上显示观察，有助于实验人员的直观分析、探究声音的汇聚发送与传播的规律。

Description

多声音束汇聚的实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种多声音束汇聚的实验装置及其使用方法，属于声音传播实验技术领域。

背景技术

目前，随着社会转型的不断加快，社会上不和谐、不稳定的因素增多，各类群体性事件和突发事件呈逐年上升趋势，而应对这种不稳定事件，出现了一种新型的武器——声音武器。美国、德国等发达国家很早就开始研究声音武器，但由于声音存在漫射和衍射，所以声音的定向发射和传播却很难实现，因此，探索声音定向的问题变得尤为重要而有意义。

声音汇聚方式一般有两种方法：一种是利用聚焦超声波在空气中的非线性解调，超声波在空气中传输一定的时间后，使超声波频率降低，变成人耳可以听到的声音，另一种方法就是利用普通声波发生设备进行组阵，实现声音的简单的加强，使声波在中心线上的叠加效果最佳，为了探索声音汇聚效果，就必须进行大量实验，并根据科学有效的实验数据进行分析，得出一定的实验关系。

传统声音汇聚实验的实验数据分析与实验数据采集是相独立的；采集数据、存储数据、分析数据等是分布进行的，操作复杂、耗费时间，有效将实验数据采集与分析结合，是科学发展的一个必经环节，也是未来实验发展的一个重要方向。同时，要兼顾到实验的安全可靠、成本低廉等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种多声音束汇聚的实验装置，它实验变量控制简单，能够有效、快速和低成本地采集并得出大量的实验数据，并且能够及时地在上位机上显示观察，有助于实验人员的直观分析、探究声音的汇聚发送与传播的规律。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多声音束汇聚的实验装置，它包括语音输入装置、载波信号发生器、调制电路、功率放大电路、上位机、核心处理器、声音强度监测仪、扬声器阵列和转动器；其中，

语音输入装置，其信号输出端与调制电路的一信号输入端相连接，并用于将语音信号转换为语音电信号后传递给调制电路；

载波信号发生器，其信号输出端与调制电路的另一信号输入端相连接，并用于产生载波信号并将其传递给调制电路；

调制电路，其信号输出端与功率放大电路的信号输入端相连接，并用于将语音电信号和载波信号调制后传递给功率放大电路；

功率放大电路，其信号输出端与扬声器阵列相连接，其控制输入端与核心处理器相连接，并根据核心处理器所传递的强度控制信号用于将已调制信号功率放大后传递给扬声器阵列以便驱动其工作；

扬声器阵列，其具有多个扬声器，并用于将接收的功率放大后的电信号转换为语音信号；

声音强度监测仪，其信号输出端与核心处理器相连接，并用于监测实验前后声音强度信号并将其传递给核心处理器；

转动器，其信号输入端与核心处理器相连接，并且所述的扬声器和转动器相对应，扬声器的尾端通过旋转传动器与相应的转动器相连接，并用于接收核心处理器的角度控制信号以便驱动转动器旋转控制扬声器的转动角度；

上位机，其与核心处理器相连接以实现双向信号传输，并用于显示实验参数、输入相对应的控制信号以及显示和存储实验数据。

进一步，该多声音束汇聚的实验装置还包括承载装置，所述的转动器安装在承载装置上。

进一步，所述的扬声器阵列由多个励磁式喇叭组成。

进一步，所述的转动器为矩舵机。

进一步，所述的功率放大电路为D类功放型电路。

更进一步，所述的调制电路和功率放大电路之间还连接有缓冲隔离电路。

本发明还提供了一种多声音束汇聚的实验装置的使用方法，该方法的步骤如下：

(1)在上位机上点击启动按钮，并打开电源，为整个实验装置供电，进入启动工作状态；

(2)在上位机上点击测量环境声音按钮，通过声音强度监测仪监测当前环境下的声音强度，并在上位机上进行显示和存储；

(3)在上位机上输入需调整的扬声器角度、扬声器声音强度和工作时间，并执行按钮进行操作；

(4)在上位机上点击角度微调按钮，控制扬声器的角度在0°～10°范围内调节，再点击执行按钮重复步骤(3)操作；

(5)在上位机上点击强度微调按钮，控制扬声器的声音强度在0dB～10dB范围内调节，再点击执行按钮重复步骤(3)操作；

(6)工作时间到，实验装置停止工作，在上位机上显示实验声音强度值并将对应实验数据存储到上位机中；

(7)重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)，得出多组实验数据，并在上位机上点击绘图按钮，绘制实验数据分析图。

进一步，所述的步骤(3)中，扬声器角度变化范围为0°～90°，变换间隔为1°；扬声器声音强度变化范围30dB～100dB，变换间隔为1dB，工作时间不低于5分钟。

采用了上述技术方案后，本发明通过驱动转动器控制扬声器的旋转角度，通过功率放大电路控制声音的强度，使实验变量控制简单，并通过其转动器和功率放大电路，可以效、快速和低成本地采集并得出大量的实验数据，并且实验数据可靠，并且实验数据能够及时在上位机进行显示和存储，并进一步绘制实验变量对应关系图，有助于实验人员的直观分析与探究声音的汇聚发射与传播的规律。

附图说明

图1为本发明的多声音束汇聚的实验装置的原理框图；

图2为本发明的承载装置上的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2所示，一种多声音束汇聚的实验装置，它包括语音输入装置3、载波信号发生器5、调制电路4、功率放大电路6、上位机2、核心处理器1、声音强度监测仪11、扬声器阵列10和转动器；其中，

语音输入装置3，其信号输出端与调制电路4的一信号输入端相连接，并用于将语音信号转换为语音电信号后传递给调制电路4；语音输入装置3可以为MP3或者其他语音设备；

载波信号发生器5，其信号输出端与调制电路4的另一信号输入端相连接，并用于产生载波信号并将其传递给调制电路4；载波信号发生器5采用NE555定时器输出200KHz的三角波作为载波信号。

调制电路4，其信号输出端与功率放大电路6的信号输入端相连接，并用于将语音电信号和载波信号调制后传递给功率放大电路6；调制电路4采用电压比较器LM393进行PWM脉宽调制；

功率放大电路6，其信号输出端与扬声器阵列10相连接，其控制输入端与核心处理器1相连接，并根据核心处理器1所传递的强度控制信号用于将已调制信号功率放大后传递给扬声器阵列10以便驱动其工作；

扬声器阵列10，其具有多个扬声器，并用于将接收的功率放大后的电信号转换为语音信号；扬声器可以为四个，分别是第一扬声器10、第二扬声器12、第三扬声器15、和第四扬声器17。

声音强度监测仪11，其信号输出端与核心处理器1相连接，并用于监测实验前后声音强度信号并将其传递给核心处理器1；声音强度监测仪11为测量稳态声强型，测量精度为1dB；

转动器，其信号输入端与核心处理器1相连接，并且所述的扬声器和转动器相对应，扬声器的尾端通过旋转传动器9与相应的转动器相连接，并用于接收核心处理器1的角度控制信号以便驱动转动器旋转控制扬声器的转动角度；转动器也可以为四个，分别是和第一扬声器10相对应的第一转动器8、和第二扬声器12相对应的第二转动器14、和第三扬声器15相对应的第三转动器16以及和第四扬声器17相对应的第四转动器18；

上位机2，实现人机交互操作，其与核心处理器1相连接以实现双向信号传输，并用于显示实验参数、输入相对应的控制信号以及显示和存储实验数据；核心处理器1和上位机2的连接使用RS232标准串口通信；

多声音束汇聚的实验装置还包括承载装置7，转动器安装在承载装置7上，承载装置7可以采用普通木料制作，轻便成本低。

扬声器阵列10由多个励磁式喇叭组成；励磁式喇叭的额定功率在100W、阻抗4Ω、频率在35Hz～10KHz；

转动器可以为矩舵机中的金属齿轮大力矩舵机，转动精度为1°。

功率放大电路6为D类功放型电路，并根据PWM占空比调节功率，由一对N沟道MOS管IRF540组成上下对管

调制电路4和功率放大电路6之间还连接有缓冲隔离电路，缓冲隔离电路采用IR2103功放驱动芯片。

核心处理器1采用MSP430F149芯片，供电电压3.3V。

一种多声音束汇聚的实验装置的使用方法，该方法的步骤如下：

(1)在上位机2上点击启动按钮，指令由RS232标准串口通信发送核心处理器，核心处理器打开继电器，从而打开电源，为整个实验装置供电，进入启动工作状态；

(2)在上位机2上点击测量环境声音按钮，核心处理器1接收指令并控制声音强度监测仪11工作，通过声音强度监测仪11监测当前环境下的声音强度，并在上位机2上进行显示和存储；

(3)在上位机2上输入需调整的扬声器角度、扬声器声音强度和工作时间，并执行按钮进行操作；核心处理器1接收指令，控制语音输入装置3工作，将语音信号转化为语音电信号和载波信号经调制电路进行调制，经隔离缓冲电路，送至功率放大电路6进行功率放大；将放大后的调制信号经过滤波电路还原成原始电信号，并送至扬声器阵列10中发出声音；由声音强度检测仪11测量声音强度，并由核心处理器1将测量值发送到上位机2中。

(4)在上位机2上点击角度微调按钮，控制扬声器的角度在0°～10°范围内调节，再点击执行按钮重复步骤(3)操作；

(5)在上位机2上点击强度微调按钮，控制扬声器的声音强度在0dB～10dB范围内调节，再点击执行按钮重复步骤(3)操作；

(6)工作时间到，实验装置停止工作，在上位机2上显示实验声音强度值并将对应实验数据存储到上位机2中；

(7)重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)，得出多组实验数据，并在上位机2上显示，并点击绘图按钮，绘制实验数据分析图。

步骤(3)中，扬声器角度变化范围为0°～90°，变换间隔为1°；扬声器声音强度变化范围30dB～100dB，变换间隔为1dB，工作时间不低于5分钟，便于声音稳定后，声音强度监测仪更加准确的测量声音强度。

本发明通过驱动转动器控制扬声器的旋转角度，通过功率放大电路6控制声音的强度，使实验变量控制简单，并通过其转动器和功率放大电路6，可以有效、快速和低成本地采集并得出大量的实验数据，并且实验数据可靠，并且实验数据能够及时在上位机进行显示和存储，并进一步绘制实验变量对应关系图，有助于实验人员的直观分析与探究声音的汇聚发射与传播的规律。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多声音束汇聚的实验装置，其特征在于：它包括语音输入装置(3)、载波信号发生器(5)、调制电路(4)、功率放大电路(6)、上位机(2)、核心处理器(1)、声音强度监测仪(11)、扬声器阵列(10)和转动器；其中，

语音输入装置(3)，其信号输出端与调制电路(4)的一信号输入端相连接，并用于将语音信号转换为语音电信号后传递给调制电路(4)；

载波信号发生器(5)，其信号输出端与调制电路(4)的另一信号输入端相连接，并用于产生载波信号并将其传递给调制电路(4)；

调制电路(4)，其信号输出端与功率放大电路(6)的信号输入端相连接，并用于将语音电信号和载波信号调制后传递给功率放大电路(6)；

功率放大电路(6)，其信号输出端与扬声器阵列(10)相连接，其控制输入端与核心处理器(1)相连接，并根据核心处理器(1)所传递的强度控制信号用于将已调制信号功率放大后传递给扬声器阵列(10)以便驱动其工作；

扬声器阵列(10)，其具有多个扬声器，并用于将接收的功率放大后的电信号转换为语音信号；

声音强度监测仪(11)，其信号输出端与核心处理器(1)相连接，并用于监测实验前后声音强度信号并将其传递给核心处理器(1)；

转动器，其信号输入端与核心处理器(1)相连接，并且所述的扬声器和转动器相对应，扬声器的尾端通过旋转传动器(9)与相应的转动器相连接，并用于接收核心处理器(1)的角度控制信号以便驱动转动器旋转控制扬声器的转动角度；

上位机(2)，其与核心处理器(1)相连接以实现双向信号传输，并用于显示实验参数、输入相对应的控制信号以及显示和存储实验数据。

2.根据权利要求1所述的多声音束汇聚的实验装置，其特征在于：还包括承载装置(7)，所述的转动器安装在承载装置(7)上。

3.根据权利要求1所述的多声音束汇聚的实验装置，其特征在于：所述的扬声器阵列(10)由多个励磁式喇叭组成。

4.根据权利要求1所述的多声音束汇聚的实验装置，其特征在于：所述的转动器为矩舵机。

5.根据权利要求1所述的多声音束汇聚的实验装置，其特征在于：所述的功率放大电路(6)为D类功放型电路。

6.根据权利要求1所述的多声音束汇聚的实验装置，其特征在于：所述的调制电路(4)和功率放大电路(6)之间还连接有缓冲隔离电路。

7.一种如权利要求1至6中任一项所述的多声音束汇聚的实验装置的使用方法，其特征在于该方法的步骤如下：

(1)在上位机(2)上点击启动按钮，并打开电源，为整个实验装置供电，进入启动工作状态；

(2)在上位机(2)上点击测量环境声音按钮，通过声音强度监测仪(11)监测当前环境下的声音强度，并在上位机(2)上进行显示和存储；

(3)在上位机(2)上输入需调整的扬声器角度、扬声器声音强度和工作时间，并执行按钮进行操作；

(4)在上位机(2)上点击角度微调按钮，控制扬声器的角度在0°～10°范围内调节，再点击执行按钮重复步骤(3)操作；

(5)在上位机(2)上点击强度微调按钮，控制扬声器的声音强度在0dB～10dB范围内调节，再点击执行按钮重复步骤(3)操作；

(6)工作时间到，实验装置停止工作，在上位机(2)上显示实验声音强度值并将对应实验数据存储到上位机(2)中；

(7)重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)，得出多组实验数据，并在上位机上显示，并点击绘图按钮，绘制实验数据分析图。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中，扬声器角度变化范围为0°～90°，变换间隔为1°；扬声器声音强度变化范围30dB～100dB，变换间隔为1dB，工作时间不低于5分钟。