CN105537091A - 基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置 - Google Patents
基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置，其特征在于步骤如下：首先产生四路正弦信号；所述四路正弦信号为两种频率相差为20Hz的正弦信号；将每一路差频正弦信号转换为声波；最后转换完成的两种不同频率的四路声波在传播过程中进行非线性叠加产生和频波和差频波，然后将差频波以外的其他频率的声波进行滤波频率为20Hz的次声波。本发明的次声波合成装置，基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成装置采用数字频率直接合成(DDS)技术不仅控制灵活、方便简单，而且实现了频率的连续可调。通过和STM32的连接，使得该装置具备了良好的可扩展性，可以在成本较低的情况下实现。
Description
技术领域
本发明属于次声波合成方法及装置，具体涉及一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置，用于油井液位测量、捕鱼工作、次声波武器等。
背景技术
目前而言，次声波产生器一般有如下七种：
气爆式次声波产生器：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。由于这种方式的能量转换效率低，声波强度不高，并且定向性能较差，因此一般只能用于人工干预且自动控化控制要求不高的的场合；
爆弹式次声波产生器：用活塞或炸药驱动脉冲器，使压缩的空气进入导管产生次声波。在实际应用方面，主要是利用爆炸产生的强冲击波衰减后产生次声波。而这种方式对分段爆炸的控制很不稳定，因此容易造成事故。
管式次声波产生器：根据声学原理，当管子中的空气柱的振动与管子本身固有频率相同时，就可产生较强的次声波，然后利用一些机械装置的驱动，则可获得较强的次声波。然而这种方式局限于管子的选材及物理特性，并且产生次声波要求管子足够长，因此实用性较差。
扬声器式次声波发声器：和扬声器的工作原理相似，采用比较特殊的膜片，通过膜片振动可产生一定频率的次声波。这种方式产生次声波除了需要膜片振动的幅度较大外，还须使振动膜面积足够大(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％，同样实用性不高。
频率差拍式次声波产生器：采用两个不同频率的声波发声器同时工作，利用它们非线性频差来获得所需要的低频次声波。目前，主要是通过利用压电晶体产生两束频率稍有差异的超声波，然后根据声学的非线性叠加原理，两列差频声波相互作用产生次声波。通过控制产生不同频率的超声波，便可实现产生频率可调的次声波。经过研究，这种方式实现容易、成本较低、且次声波频率可调，但其能量转换效率不高，难以实现大功率发射，因此单独使用这种方式产生次声波的场合不多，仅限于理论研究。
旋式次声波发生器：采用动态控制风扇叶片转动的方式产生低频次声波，通过控制风扇转动的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波信号。此方式能量转换效率高，但是目前在技术上还存在一些难点需要克服。
气流声源：根据气流调制的方法，通过一定的气动过程将高压或高速气流能量转化为声能。气流式声源由于能量转换效率高、功率大，一般主要用来实现高强度的声波生成，成本较高，且装置复杂。
通过对以上七种次声波产生装置现有技术的研究与分析，我们可知：气爆式次声波产生器能量转换效率低，声波强度不高，并且定向性能较差，因此一般只能用于人工干预且自动化控制要求不高的的场合；爆弹式次声波产生器主要是利用爆炸产生的强冲击波衰减后产生次声波，而这种方式对分段爆炸的控制很不稳定，容易造成事故；管式次声波产生器由于跟管子固有频率相关，产生次声波要求管子足够长，因此实用性较差；扬声器式次声波产生器要产生次声波除了需要膜片振动的幅度较大外，还须使振动膜面积足够大(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％，同样实用性不高；旋式次声波发生器与传统次声波产生器的原理和结构都不同，主要是采用机械机构产生次声波，能量转换效率高，但是目前在技术上还存在一些难点需要克服；气流声源因其转换效率高、功率大，一般主要用来实现高强度的声波生成，成本较高，且装置复杂。而频率差拍式次声波产生器主要是利用声波的非线性频差来获得低频次声波。经过研究，这种方式实现容易、成本较低、且次声波频率可调，但其能量转换效率不高，难以实现大功率发射，因此单独使用这种方式产生次声波的场合不多，仅限于理论研究。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置，以频率差拍式次声波产生原理为核心，通过采用声学参量阵技术设计一款功率较大的低频次声波产生装置。
技术方案
一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：产生四路正弦信号；所述四路正弦信号为两种频率相差为20Hz的正弦信号；
步骤2：将每一路差频正弦信号转换为声波；
步骤3：转换完成的两种不同频率的四路声波在传播过程中进行非线性叠加产生和频波和差频波，然后将差频波以外的其他频率的声波进行滤波频率为20Hz的次声波。
一种实现所述基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法的装置，其特征在于包括四个正弦信号产生电路、四个信号调理电路、四个电声换能器电路和一个声滤波器电路；每个正弦信号产生电路的输出顺序连接一个信号调理电路和一个电声换能器电路，四个电声换能器电路并联后连接声滤波器电路的输入端，声滤波器电路的输出次声波；所述四个电声换能器电路的四个换能器元组成正方形，四个换能器分别位于正方形的四个顶点，对角的两个换能器位接收同一正弦信号。
所述正弦信号产生电路是采用AD9850及其外围电路在STM32的控制下将控制字写入AD9850，然后AD9850根据控制字来输出控制字所指定频率的四路两种正弦电信号。
所述信号调理电路包括信号缓冲电路、带通滤波放大电路和功率放大电路；第一步产生的四路两种正弦电信号首先利用缓冲电路进行缓冲，然后通过带通滤波放大电路对其初步滤波并初步放大，最后利用功率放大电路对其提升功率。
所述换能器元采用压电陶瓷。
有益效果
本发明提出的一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法及装置，针对现有的次声波合成装置，基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成装置采用数字频率直接合成(DDS)技术不仅控制灵活、方便简单，而且实现了频率的连续可调。通过和STM32的连接，使得该装置具备了良好的可扩展性，可以在成本较低的情况下实现。
本发明装置首先在STM32控制模块的控制下，根据正弦信号产生装置以直接频率合成的方法产生正弦信号，以保证信号的精度和稳定性。然后，利用信号调理电路对其进行滤波降噪和放大。这样就可以驱动声波换能器将器其电压信号转换为声波，声波在传播的过程中由于非线性效应叠加产生次声波，当这混合声波在经过声滤波器时，高频信号不断进行衰减并减弱声场中的高频声波，以得到较纯的次声波。
附图说明
图1：本发明装置原理框图
图2：本发明实施例中正弦信号产生电路原理图
图3：本发明实施例中信号调理电路中缓冲电路原理图
图4：本发明实施例中信号调理电路中滤波放大电路原理图
图5：本发明实施例中信号调理电路中功率放大电路原理图
图6：本发明实施例中声波换能器排布结构
图7：本发明实施例中声滤波器的模型及等效电路
图8：本发明实施例的合成次声波的时域图
图9：本发明实施例的合成次声波的频域图
图中：1-第一换能器、3-第三换能器、2-第二换能器、4-第四换能器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的理论依据
a.声波非线性叠加理论
两列声波都是大幅度声波信号在声场中传播时，声压以及质点的运动速度相对于大气压强和声速已经不能忽略不计了，这就是非线性声学中的声音叠加问题。本发明根据声波的非线性叠加理论由两列频率相差20Hz的声波合成了次声波。
b.组合声源理论和声学参量阵
组合声源是由两个或者多个声源组合而成，这些声源产生的叠加声场成为组合声场。而声学参量阵是基于声学非线性效应并可在远场实现差频声波的装置。在本发明中，我们根据组合声源理论和参量阵技术实现了声波换能器的设计，并根据合成声波的指向性把声能聚集到某个方位发射，使能量更加集中，发射的距离更远。
c.波导理论
声波导是指在在空间的一个方向或者两个方向无限延伸的结构。声音可以沿着波导进行传播时，可以使声波的能量保持在一个很小的范围，减小声波能量的损耗。本发明根据管中声波的传播，并利用该理论完成了声滤波器的设计。
本发明实施例的步骤为：
步骤1：产生四路两种正弦信号，两种频率相差20Hz的正弦波，例如：320Hz，300Hz；
步骤2：将每一路正弦信号转换为声波；
步骤3：转换完成的四路两种不同频率声波在传播过程中进行非线性叠加产生和频波和差频波，然后将差频波以外的其他频率的声波进行滤波得到频率为20Hz的次声波。
现将本设计方案按照层次化和模块化的思想进行如下叙述：该方案由以下五部分组成，分别是(1)正弦信号产生电路；(2)信号调理电路；(3)电声换能器电路；(4)声滤波器；该方案的框图如图1所示。
连接关系为：每个正弦信号产生电路的输出顺序连接一个信号调理电路和一个电声换能器电路，四个电声换能器电路并联后连接声滤波器电路的输入端，声滤波器电路的输出次声波；所述四个电声换能器电路的四个换能器元组成正方形，四个换能器分别位于正方形的四个顶点，对角的两个换能器位接收同一正弦信号。
所述正弦信号产生电路：在高频正弦信号产生装置的设计中，采用数字频率直接合成技术(DDS)作为高频正弦信号产生芯片的主要方法，其理由是：直接数字频率合成技术是随着数字集成电路和微电子技术的发展应运而生的一种新的数字频率合成技术，它从相位量化的概念出发进行频率合成。利用数字方式累加相位，再以相位之和作为地址来查询正弦函数表得到正弦幅度的离散序列，最后经D/A变换得到模拟正弦波输出。DDS技术与传统的频率合成技术相比，具有频率分辨率高、相位噪声小、稳定度高、易于调整及控制灵活等优点。AD9850是一款具有高集成度的直接数字频率合成芯片，它内部集成有可编程DDS系统、高性能数模转换器(DAC)和高速比较器，能实现全数字变成控制的频率合成。因此采用AD9850芯片作为正弦信号产生的主要芯片，通过STM32控制模块控制其产生多路高频正弦波信号并输出。见图2。
在STM32控制模块的设计中，主要包括时钟/复位电路的设计、JTAG电路的设计、显示电路的设计和按键电路的设计。在该部分的设计中，时钟/复位电路和JTAG电路作为STM32控制模块外围电路，实现该控制模块的基本工作；而按键电路实现频率的输入，显示电路则是显示所产生的高频正弦信号的频率。该部分实现了控制正弦信号产生器产生正弦信号及其显示功能。
所述信号调理电路为顺序连接的输入缓冲电路、滤波放大电路和功率放大电路。
采用了工业级运算放大器LM324和功率放大器LM1875，其理由是：LM324是一款低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入。该四运算放大器可以工作在低到3V或者高到32V的电源下，静态电流小。首先，利用LM324构建电压跟随电路作为缓冲电路并加大输入阻抗，然后利用LM324构建二阶压控型带通滤波器，通过将微弱输入信号中频率较低的噪声和高频干扰滤掉，并做初步放大。而LM1875是一只中功率管，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大，该集成电路内部设有过热及感性负载反向电势安全工作机制。因此，选择LM1875和电源供电电路一起组成功率放大电路，使高频正弦信号的失真度变低，并提高该高频正弦信号的带负载能力，以便驱动超声波换能器正常工作。
因此，信号调理电路首先通过输入缓冲电路对AD9850产生的微弱信号进行缓冲提取，然后利用运算放大器LM324构建的二阶压控型滤波电路进行滤波和初步放大，最后利用LM1875构建功率放大电路提高该正弦信号的功率，以便进行以下操作，整体框图如图3、图4和图5所示。
所述电声换能器电路为四个电声换能器组成的声波换能器阵列，见图6；
选取压电陶瓷作为声波换能器。其理由是：压电陶瓷声波换能器是当今主流的一款电声转换装置，因其具有频率高、转化率高的优点在声波换能器领域有着极其广泛的使用价值。
声波换能器阵列的排布根据声学参量阵原理，以此来提高合成次声波的发射功率，并获得良好的次声波指向性能。在此设计中，采用4组超声换能器。两个正弦波信号分别接到第一换能器1、第三换能器3、第二换能器2和第四换能器4，四个换能器摆放方向相同，且平行放置，固定安装在声波合成腔的一端，根据参量阵原理。
所述声滤波器根据声学的波导理论来完成声滤波器的设计。
根据频率差拍式合成次声波时，在换能器的发射方向会产生一系列的二次频率的声波，不仅包含合成的差频次声波，还包括和频波等谐波。
因此，通过根据声学波导理论设计的声滤波器不仅实现了对高频声波的衰减，低频次声波得以通过，而且获得了良好的次声波指向性能。具体模型和其等效电路如图7所示：
本实施例的合成装置产生次声波如图8和图9。
测试实验中，我们采用两列相同幅值的320Hz和300Hz作为源信号，然后通过信号调理电路、声波换能器和声滤波器后，合成的20Hz次声波的时域图和频域图如下：
从时域图中我们可以明显的看出，该信号的周期为0.05，即该信号的频率为20Hz，而在频域图中，经过测量可知，为20Hz的幅值接近为9.75，而由于声波在传播过程中的能量损耗，300Hz和320Hz的信号在接收端的幅值大约为148和207。经过详细计算，基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成装置的转换效率为0.07％，基本符合频率差拍式次声波合成的理论值。
当信号源为高频正弦信号时，由理论计算和实验验证可知效果会更好。
Claims (5)
1.一种基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：产生四路正弦信号；所述四路正弦信号为两种频率相差为20Hz的正弦信号；
步骤2：将每一路差频正弦信号转换为声波；
步骤3：转换完成的两种不同频率的四路声波在传播过程中进行非线性叠加产生和频波和差频波，然后将差频波以外的其他频率的声波进行滤波频率为20Hz的次声波。
2.一种实现权利要求1所述基于频率差拍式和声学参量阵技术的次声波合成方法的装置，其特征在于包括四个正弦信号产生电路、四个信号调理电路、四个电声换能器电路和一个声滤波器电路；每个正弦信号产生电路的输出顺序连接一个信号调理电路和一个电声换能器电路，四个电声换能器电路并联后连接声滤波器电路的输入端，声滤波器电路的输出次声波；所述四个电声换能器电路的四个换能器元组成正方形，四个换能器分别位于正方形的四个顶点，对角的两个换能器位接收同一正弦信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述正弦信号产生电路是采用AD9850及其外围电路在STM32的控制下将控制字写入AD9850，然后AD9850根据控制字来输出控制字所指定频率的四路两种正弦电信号。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述信号调理电路包括信号缓冲电路、带通滤波放大电路和功率放大电路；第一步产生的四路两种正弦电信号首先利用缓冲电路进行缓冲，然后通过带通滤波放大电路对其初步滤波并初步放大，最后利用功率放大电路对其提升功率。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述换能器元采用压电陶瓷。
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